Sviluppo di una sonda micro a doppia rilevazione temperatura–flusso di calore con film sottile di Pt per misure termiche transitorie fino a 1400 °C.

Misurare calori estremi sulle superfici dei velivoli del futuro

Quando veicoli spaziali o aerei ad alta velocità fendono l’atmosfera, la loro pelle esterna viene investita da calore intenso in frazioni di secondo. Conoscere con precisione quanto calore queste superfici sopportano è fondamentale per evitare il cedimento di motori, serbatoi e rivestimenti protettivi. Questo articolo presenta un nuovo tipo di minuscola sonda termica in grado di resistere a temperature superiori a quelle di molti flussi lavici e di rispondere abbastanza rapidamente da seguire shock termici improvvisi, offrendo uno strumento potente per progettare veicoli ad alta velocità più sicuri.

Perché è così difficile misurare calori estremi

Le superfici di modelli per test ipersonici, le palette delle turbine e le camere di combustione possono superare temporaneamente i 1000 °C mentre sono bombardate da gas ad alta velocità. I sensori tradizionali di flusso di calore—dispositivi che misurano la rapidità con cui il calore entra in una superficie—faticano in questo ambiente. I progetti classici sono relativamente grandi, perturbano il flusso d’aria circostante e i loro materiali possono ossidarsi o ammorbidirsi, facendo sì che le letture driftino o che il sensore fallisca. Molti sensori correnti si fermano sotto circa 1200 °C e reagiscono in millisecondi o più, tempi troppo lenti e dispositivi troppo fragili per gli impulsi termici acuti e intensi osservati nei moderni test in gallerie del vento e nella ricerca sui motori.

Un piccolo pilastro progettato per sopportare il calore

I ricercatori hanno progettato una sonda in miniatura basata su un film sottile di platino (Pt) avvolto su un pilastro di allumina (ossido di alluminio) largo 2 millimetri. L’allumina è stata scelta perché è elettricamente isolante, meccanicamente robusta e può resistere a temperature fino a circa 1600 °C. All’interno di questo pilastro ceramico, i collegamenti elettrici sono nascosti in canali stretti, proteggendo i fili dai gas caldi e erosivi e riducendo il rumore elettrico. All’esterno, lo strato di platino è sagomato in un percorso a S per aumentarne la lunghezza, incrementando la sensibilità alle variazioni di temperatura pur rimanendo su un ingombro minuscolo.

Una pelle protettiva che impedisce il degrado del film

Una delle sfide principali per i film metallici ad altissime temperature è che la superficie può lentamente raggrupparsi in isole, come l’acqua che perla sul vetro, compromettendo il comportamento elettrico. Per evitarlo, il team ha usato la stampa a getto elettroidrodinamico—un metodo preciso simile a spruzzare inchiostro—per rivestire il platino con uno strato protettivo di allumina su misura. Dopo il trattamento ad alta temperatura, questo rivestimento si trasforma in una forma cristallina densa e stabile chiamata alfa-allumina. Microscopia e misure a raggi X hanno mostrato che il film di platino rivestito rimane liscio e ben legato anche dopo riscaldamenti fino a 1400 °C, mentre un film non protetto sviluppa vuoti e superfici ruvide a temperature inferiori.

Come la sonda trasforma il calore in segnali

Il nuovo sensore funziona in due modi complementari. Primo, quando il film di platino si riscalda, la sua resistenza elettrica aumenta in modo prevedibile e quasi lineare. Alimentando il film con una corrente costante e monitorando la variazione di tensione, si può calcolare la temperatura della superficie con elevata precisione. Secondo, usando un noto modello di conduzione termica, la storia temporale di quella tensione può essere convertita nella storia temporale del flusso di calore—la velocità con cui l’energia entra nella superficie. Simulazioni al computer hanno confermato che la struttura stratificata della sonda produce una relazione pulita e quasi lineare tra calore in ingresso e segnale in uscita, mentre lo sforzo compressivo nel film, mantenuto dagli strati di allumina, contribuisce a mantenere stabile il platino ad alte temperature.

Mettere il sensore alla prova

Il team ha quindi sottoposto la sonda a una serie di esperimenti. In un forno, la resistenza del film di platino ha seguito la temperatura da temperatura ambiente fino a 1000 °C con eccellente linearità e ripetibilità, e la versione protetta è sopravvissuta fino a circa 1440 °C—circa il 50 percento in più rispetto ai film non protetti. Test laser hanno confrontato la nuova sonda con un sensore commerciale di flusso di calore e hanno mostrato buon accordo: alla potenza massima testata, il nuovo dispositivo ha misurato circa 71 kW per metro quadrato di flusso di calore con un errore su scala piena inferiore all’1,7 percento e una ripetibilità migliore dello 0,6 percento. Una configurazione di riscaldamento rapido, che imita carichi termici improvvisi, ha rivelato che la sonda può rispondere in circa 0,2 millisecondi e sopportare flussi di calore superiori a 3,5 megawatt per metro quadrato, con errori di temperatura sotto l’1 percento se confrontata con un termometro a infrarossi.

Cosa significa questo per il volo iperveloce futuro

In termini semplici, questo lavoro fornisce un termometro molto piccolo, molto robusto e molto veloce che non solo misura la temperatura ma anche con quale violenza il calore investe una superficie. Poiché può sopravvivere vicino ai 1500 °C, reagire in microsecondi ed essere prodotto in array su piccoli pilastri, è adatto per mappare i carichi termici su veicoli ipersonici e componenti di motori con grande dettaglio. Questa capacità dovrebbe aiutare gli ingegneri a progettare sistemi di protezione termica più affidabili e a testare nuovi materiali in condizioni estreme e realistiche, avvicinando la sicurezza del volo ad alta velocità a una realtà più concreta.

Citazione: Wang, H., Kong, M., Wang, H. et al. Development of micro dual temperature–heat flux sensing probe using Pt Thin film for transient heat measurements up to 1400 °C.. Microsyst Nanoeng 12, 158 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01274-5

Parole chiave: sensore di flusso di calore, galleria del vento ipersonica, film sottile di platino, misura ad alta temperatura, ceramica di allumina