Bachelor's Thesis

Effect of space environment on composite materials

Final Thesis 1.61 MB

Author of thesis: Mark Gerken

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Tomáš Katrňák

Reviewer: Ing. Jaroslav Bartoněk, Ph.D.

Abstract:

This bachelor’s thesis investigates the effects of the space environment on composite materials utilized in the construction of spacecraft, with a specific focus on Low Earth Orbit conditions. The objective is to synthesize and analyze knowledge regarding the behavior of advanced composites in challenging space environments, based on a comprehensive literature review of NASA technical reports and academic sources. The text provides a detailed analysis of key degradation factors, primarily atomic oxygen erosion, vacuum outgassing, micrometeoroid impacts, and intensive thermal cycling. The thesis examines the mechanisms of change in mechanical properties such as tensile strength, elastic moduli, and flexural strength as well as physical parameters, including coefficients of thermal expansion and moisture expansion.  A practical application of prediction nomograms for estimating material loss is demonstrated using the T1100G composite. The final output is a synthesis of design recommendations, protective coating selections, and technological preparation strategies for laminates, serving as a guide for optimal material selection for long-term space missions.

Keywords:

composite materials, space environment, Low Earth Orbit, atomic oxygen erosion, thermal cycling, outgassing, mechanical properties, dimensional stability

Date of defence

10.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

Študent prezentoval výsledky svojej bakalárskej práce komisii. Nasledovali otázky oponenta. Študent odpovedal na prvú otázku oponenta samostatne ku spokojnosti komisie. Študent odpovedal na druhú otázku oponenta samostatne ku spokojnosti komisie. Prvá otázka komisie k práci bola zameraná na tvorenie vlastných záverov v BP. Študent objasnil otázku komisie. Druhá otázka komisie k práci bola zameraná na riešenie únavy a životnosti materiálu. Študent odpovedal na otázku z časti samostatne, z časti s pomocou. Tretia otázka komisie k práci bola zameraná na graf (strana 24). Študent odpovedal na otázku samostatne ku spokojnosti komisie. Štvrtá otázka komisie k práci bola zameraná na vplyv odplyňovania. Študent odpovedal na otázku samostatne ku spokojnosti komisie. Následne sa prešlo na všeobecnú rozpravu.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Fundamentals of Mechanical Engineering (B-ZSI-P)

Specialization

Fundamentals of Mechanical Engineering (STI)

Composition of Committee

Ing. Jan Navrátil, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Lukáš Dubnický, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Ivo Jebáček, Ph.D. (předseda)
Ing. František Vaněk, Ph.D. (člen)
Ing. Tomáš Katrňák (člen)
Ing. Miroslav Červenka, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Tomáš Katrňák

Předložená bakalářská práce pojednává o praktickém vyhodnocení vlivů kosmického prostředí na vlastnosti kompozitních materiálů z dostupných hodnocení misí na nízké oběžné dráze Země. V úvodních kapitolách je provedena patřičná rešerše typů kompozitů s polymerní matricí a přehled řešených kombinací materiálů. Náležitě jsou vysvětleny i jednotlivé typy vlivů kosmického prostředí, kde kritickými faktory jsou množství atomárního kyslíku a cyklování teplot. V hlavní části práce jsou vhodně popsány důsledky působení těchto faktorů na mechanické a fyzikální vlastnosti kompozitu. Procentuální míry degradací materiálů jsou podrobně vyčísleny v tabulkách a také znázorněny v grafech. Vyhodnocení vlivů na pokles meze pevnosti v tahu, tlaku i ohybu a nutné dovysvětlení hodnot je uvedeno v jednotlivých podkapitolách. Sběr těchto poznatků a dat je využit v doporučení pro návrh kompozitů, predikci eroze povrchu a úbytku hmoty vlivem zejména atomárního kyslíku. Ocenit lze uvedený praktický příklad predikce ztráty tloušťky pro vybraný materiál. I přes drobné nedostatky v podobě nízkého rozlišení úvodních stran či drobných překlepů je bakalářská práce zpracována na výborné úrovni. Student pracoval kontinuálně, svědomitě a na konzultace přicházel připraven s návrhy řešení. Práce splňuje požadované zadání, je přínosná, a proto ji doporučuji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Jaroslav Bartoněk, Ph.D.

Bakalářská práce pojednává o nejvýznamnějších vlivech vesmírného prostředí na kompozity. Víceméně je členěna podle požadavků zadání.

Jako největší přednost práce hodnotím její přehlednost a názornost. Všechny popisované vlivy jsou jasně a jednoduše vysvětleny a doplněny obrázky, tabulkami a grafy, žádné důležité části nechybí. Rovněž po jazykové stránce je práce velmi dobrá.

Výhrady je možné mít k několika bodům. Práce čerpá data především z experimentu LDEF z let 1984-1990. Bylo by vhodné více zapracovat i novější poznatky a pokusy, k nimž od té doby došlo. Dále lze konstatovat, že práce je hodně zaměřena na prostředí nízké oběžné dráhy Země. Za kosmické prostředí však lze považovat i vzdálenější oběžné dráhy, podmínky hlubokého vesmíru a ve specifických případech i prostředí na povrchu různých objektů sluneční soustavy (Mars, Venuše,...). Bylo by vhodné i tato prostředí zmínit. A konečně, práci by značně zlepšilo, kdyby v ní bylo uvedeno i jednoduché srovnání s vlastnostmi kovových materiálů, čímž by v některých případech vynikly výhody a nevýhody kompozitů.

Jako celek je však bakalářská práce na dobré úrovni a doporučuji ji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod B
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací B
Topics for thesis defence:
  1. Bakalářská práce uvádí tepelné cyklování jako jeden z degradujících vlivů. Je možné, aby se umělá družice nacházela trvale mimo sluneční svit? Pokud ano, stručně vysvětlete.
  2. Popište nejdůležitější vlivy prostředí na Marsu a Venuši a srovnejte je s vlivy uvedenými v bakalářské práci.

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová