Elasticidade: diferença entre vida e morte — o desastre da Challenger

Quando o FKM deixa de se comportar como borracha, o O-ring não responde a tempo

Em 28 de janeiro de 1986, o ônibus espacial Challenger (voo 51-L) decolou às 11h39, horário local. Setenta e três segundos depois, uma falha de vedação em dois anéis O-ring de seção 7,1 mm, na junta de campo do foguete auxiliar de propelente sólido, permitiu o escape de gases a cerca de 3.200 °C e 68 kg/cm². O jato quente rompeu o tanque externo de hidrogênio líquido. Morreram sete astronautas. Perderam-se equipamentos da ordem de milhões de dólares. O programa espacial americano atrasou dois anos e meio.

A junta que não podia falhar

Os dois anéis tinham a responsabilidade de selar a junção das duas partes do motor auxiliar sob vibração e movimentos torcionais. Uma vez iniciada a combustão do propelente sólido, ela não podia ser interrompida.

Os anéis eram protegidos por uma camada betuminosa de cromato de zinco. Essa barreira foi erodida pela passagem de gás quente entre os pontos de selagem, e os O-rings foram incinerados.

Uma das causas da falha — entre outras — foi o tempo demorado pelos anéis para manter a geometria de selagem: o tempo de resposta elástica.

O lançamento mais frio

Todos os lançamentos anteriores da Challenger haviam sido feitos entre 12 °C e 27 °C. No voo 51-L, Cabo Canaveral enfrentava um dia frio: temperaturas entre 0 °C e 1 °C, ventos fortes e registros de até −12 °C na superfície da espaçonave.

A Thiokol, fabricante do conjunto de foguetes auxiliares, nunca havia simulado em testes de campo aquele conjunto de tensões, vibrações e temperatura.

Os anéis eram de fluorocarbono FKM, formulados para altas temperaturas. Em baixa temperatura, porém, a transição vítrea típica fica entre −20 °C e −10 °C, com desempenho regular no ensaio de retração TR-10 (ASTM D1329).

A capacidade de vedação ficou seriamente comprometida. A característica que torna a borracha um material singular deixou de existir. Sem resposta elástica no tempo da pressurização, a junta vazou.

O que faz a borracha ser borracha

O que faz da borracha um material de engenharia é a capacidade de se deformar da ordem de 1.000% e retornar praticamente ao estado original. Essa resposta, porém, não é imediata.

Quando o artefato é submetido a uma deformação, o retorno depende da magnitude da deformação, da frequência do movimento e da temperatura. A velocidade dessa resposta é a viscoelasticidade — propriedade que não foi levada em conta quando as condições ambientais do lançamento mudaram drasticamente.

A decisão gerencial privilegiou prazos e apoio político aos projetos da NASA, em detrimento da opinião de engenheiros responsáveis pelo projeto, que pediam o adiamento: havia sérias dúvidas sobre a capacidade de vedação dos anéis naquela temperatura.

Por que viscoelasticidade importa em vedação dinâmica

A viscoelasticidade é decisiva sempre que um artefato de borracha trabalha em regime dinâmico: pneus, retentores, diafragmas, buchas, coxins — e, neste caso, um anel de vedação submetido a vibração do motor e a forças torcionais das rajadas de vento sobre o ônibus espacial.

A maioria das borrachas é reticulada a partir de polímeros com baixa temperatura de transição vítrea, para atuar em regime borrachoso nas condições de serviço. Alto peso molecular dá extensibilidade; baixa Tg dá resiliência.

Antes da vulcanização, essas macromoléculas são líquidos viscoelásticos: não obedecem à lei de Newton da viscosidade, que estabelece proporcionalidade linear entre tensão de cisalhamento e taxa de deformação. Líquidos viscoelásticos são dependentes do tempo quando submetidos a trabalho mecânico, pelo movimento lento das macromoléculas entre si.

Após reticulação suficiente, forma-se uma rede de ligações químicas. O líquido viscoelástico vira um sólido que não escoa. A viscoelasticidade continua fortemente dependente de tempo, frequência, temperatura, pressão, solventes e gases (inchamento, ataque químico), cargas e estado de reticulação.

Van der Waals, Arrhenius e o retorno que atrasa

Em tensão-deformação, a borracha apresenta cadeias longas entrelaçadas e, após vulcanização, ligações cruzadas. Num elastômero típico há entre 100 e 700 átomos num único segmento de cadeia. Estando próximas, as cadeias se atraem por forças de van der Waals — ligações fracas, cuja dependência com a temperatura segue a lei de Arrhenius.

ω = A · exp[−(Q − F(δ)) / RT]

ω = taxa de reatividade  |  A = fator de frequência  |  Q = energia de ativação
F(δ) = energia de tensão  |  R = constante dos gases  |  T = temperatura absoluta (K)

O termo F(δ) subtrai da energia de ativação e eleva a taxa de reatividade: diminui o efeito das forças de van der Waals e facilita o deslocamento entre moléculas.

Em ciclo de tensão-deformação, as cadeias se distendem pela baixa resistência à rotação das ligações C–C, atuando como molas. Ao mesmo tempo, as forças de van der Waals entre cadeias estendidas precisam ser vencidas na ida e de novo na volta. A força de retorno, promovida pela rotação das moléculas ao estado de menor energia (maior entropia), fica menor que a tensão de carregamento. Isso explica a queda de tensão e o laço de histerese.

Em movimento contínuo, a quebra das forças de van der Waals gera calor interno.

Nota. Além de van der Waals, o efeito Mullins amolece a borracha — com ou sem negro de fumo — no primeiro estiramento, e torna-se desprezível nos ciclos seguintes.

A temperatura mede o estado de excitação do movimento molecular (movimento browniano). Quanto mais baixa a temperatura, mais próximas as macromoléculas e maior a força de van der Waals entre elas. O inverso se observa no inchamento: o solvente afasta as cadeias e o elastômero amolece.

As forças de van der Waals explicam:

• o laço da curva de histerese;
• como esse efeito muda com a temperatura;
• o amolecimento pelo inchamento em óleos;
• por que a tensão medida sobe de forma acentuada em altas taxas de deformação.

A equação WLF e a regra dos 30 °C acima da Tg

A viscoelasticidade é fortemente afetada pela temperatura, que controla o movimento browniano. Podemos caracterizar essa taxa de movimento por φ. A dependência de φ com T segue a equação WLF:

ln [φ(T) / φ(T_g)] = A (T − T_g) / (B + T − T_g)

A equação vale para a maioria dos elastômeros, com A e B da ordem de 40 e 50 °C. Exceção típica: borrachas butílicas, com coeficientes próximos de 40 e 100 °C. T_g é a temperatura de transição vítrea — aquela em que o elastômero se comporta como vidro rígido.

Na prática: em muitas aplicações dinâmicas encontramos frequências maiores que 0,1 s⁻¹ (10 Hz). Para absorver um impacto em 1 ms, os movimentos segmentais na escala de 1 ms só ocorrem quando φ alcança da ordem de 1.000 saltos por segundo — e isso se dá somente cerca de 16 °C acima da Tg.

Para mover um conjunto de segmentos de forma coordenada em 1 ms, a frequência de movimento das moléculas precisa ser maior por um fator de 100 ou mais. Esse movimento rápido só é alcançado cerca de 30 °C acima da Tg. Deve-se esperar comportamento completamente elástico somente em temperaturas acima de T_g + 30 °C.

O que a dureza do FKM denuncia no frio

A mudança de dureza Shore A de um O-ring de FKM com a temperatura ilustra o fenômeno de forma dramática:

De 21 °C a −1 °C, o anel ganha 15 pontos de dureza. Deixa de ser o elastômero que recupera geometria e passa a se comportar como um anel rígido no tempo da ignição.

O que os engenheiros já sabiam

Voltando aos engenheiros que foram contra o lançamento entre −1 °C e 0 °C: a literatura indicava temperatura mínima de lançamento pelo menos 30 °C acima da transição vítrea. Com Tg entre −20 °C e −10 °C, isso equivale a 10 °C a 20 °C.

Não havia ensaios de desempenho nas condições reais: frequências possivelmente elevadas, pressões altas e efeitos torcionais nas junções por rajadas de vento. A decisão do gerente de engenharia foi imprudente — movida por pressões da NASA, ela própria sob tensão política da disputa espacial entre União Soviética e Estados Unidos.

Carlos Alberto Corrêa — Consultor Técnico, Heveatech Soluções de Engenharia

Referências

1. Jenab, K.; Moslehpour, S. Failure Analysis: Case Study Challenger SRB Field Joint. International Journal of Engineering and Technology, v. 8, n. 6, Dec. 2016.
2. Gent, A. N. Engineering with Rubber: How to Design Rubber Components. 2. ed.
3. Bauman, J. T. Fatigue, Stress, and Strain of Rubber Components — Guide for Design Engineers. 1. ed. Hanser Publications.
4. Mark, J. E.; Erman, B.; Roland, C. M. The Science and Technology of Rubber. 4. ed. Elsevier.
5. Casa das Ciências. Recurso educativo 2019/005. Acesso em 23/12/2023.