Jaký je stav aplikovaných materiálů pro vesmír? Z čeho byste například vyrobili skafandr nové generace? Nebo kosmickou loď, která by ho dopravila na exoplanetu? Pro naše účely se vyhněme tomu, co se objeví za obzorem; nikdo nechce číst o vaporware nebo o takovém špatně vymyšleném triku, který vypadá nablýskaně, ale nakonec zabíjí lidi. Zde se budeme zabývat pouze věcmi, které se aktivně používají nebo se přinejmenším beta testují v terénu.
Existuje několik různých tříd technologického vývoje. Obecně lze říci, že recepty, které používáme k výrobě nových materiálů, se vyvíjely společně s výrobními metodami a věci, které se snažíme s našimi materiály dělat, se staly mnohem ambicióznějšími. Namlouváme si stále větší nebezpečí a musíme dosáhnout odpovídající úrovně zvládnutí složení a výkonu materiálů, které používáme.
Existuje také několik základních druhů materiálů. Pokročilé kompozity vrství dohromady oddělené materiály, zatímco slitiny taví nebo rozpouštějí věci dohromady, aby získaly homogenní konečný produkt.
Přemýšlejte o keramice. Klasická definice keramiky je oxidový, nitridový nebo karbidový materiál, který je extrémně tvrdý a křehký, což znamená, že se rozbije, pokud do něj udeříte dostatečně velkým fyzikálním nárazem. Keramika je často pevná v tlaku, ale slabá v tahu a ve smyku. Když se však keramické materiály zahřejí, dokud nejsou vláknité jako roztočený cukr, a pak se vyfouknou tryskami do vláken, lze je zpracovat na měkké a pružné tkaniny, jako je keramická vlna, křemičitá plsť a „flexiramic“. Tyto materiály prostě plošně nehoří, takže se hodí, když je potřeba měkké, nárazy pohlcující polstrování, které je zároveň nehořlavé.
Sklokeramika je většině z nás o něco známější, i když pod jiným názvem: Gorilla Glass, které je dnes běžně k vidění v chytrých telefonech. Jedná se o hlinitokřemičité sklo, které vzniká tak, že se roztavené sklo nechá nukleovat kolem keramických dopujících částic, které jsou rozpustné pouze při vysokých teplotách. Když se ochladí, získáte tak podle společnosti Corning krystalinitu někde mezi 50 a 99 %. Výsledný materiál se sklu podobá jen velmi málo, až na jeho průhlednost. Při temperování je díky rovnováze mezi tahem a tlakem zatraceně pevný. Sklokeramika si také dobře rozumí s elektricky vodivými povlaky a inženýři tuto vlastnost využívají na oknech kosmických lodí, aby na nich nekondenzovala voda a led.
Materiálová chemie
Okna kosmických lodí jsou skvělou aplikací materiálové vědy. Jedním ze způsobů výroby oken vhodných do vesmíru je tavený oxid křemičitý, což je 100% čistý tavený oxid křemičitý. Dalším šíleným materiálem pro výrobu oken je oxynitrid hliníku, což je vlastně průhledná keramika, kterou používáme k výrobě neprůstřelných věcí. Ve videu, které natočil jeden výrobce neprůstřelných výrobků z oxynitridu hliníku (viz níže), stačilo 1,6 palce AlONu k úplnému zastavení pancéřové střely ráže 50 mm. AlON i tavený oxid křemičitý začínají jako jemný prášek zvaný frita, který se vtlačí do formy a pak se jen vypálí při těch nejnezemštějších teplotách do jednoho kusu průhledného, supertvrdého materiálu.
Pokud nepracujete se 100% čistými látkami, což v mnoha případech není možné, je myšlenka dopování ústředním bodem všeho dění. Doping znamená přidání špetky něčeho speciálního do jinak obyčejného receptu, aby se využily výhody této speciální věci a nemusely se řešit její nedostatky, které má v čistém stavu. V mnoha případech se to, co je výsledkem dopingu, nakonec jen málo podobá některému z výchozích materiálů.
Metalurgie hodně spoléhá na doping, který se v tomto případě nazývá legování. S kovy se dají dělat docela fantastické věci. Slitiny hliníku a niobu mají dostatečně vysoké teploty tání, aby odolaly tepelnému prostředí uvnitř trysek motorů Falconu 9. Ale to jen proto, že využívají také regenerativní chlazení: pohonná hmota cyklicky prochází komorami ve stěnách trysek, čímž se zvon ochlazuje a pohonná hmota ohřívá. (Jde o tepelné čerpadlo.) Slitiny zahrnující zlato a mosaz jsou užitečné, protože prostě nekorodují, bez ohledu na extrémní teplotu nebo chemické podmínky. Stejně jako přísady proti připékání v parmezánu existují dokonce kovové slitiny, které zahrnují křemík jen proto, že díky křemíku roztavený kov lépe teče, a proto se lépe hodí ke složitému odlévání.
Třecí svařování, které fyzicky roztaví dva svařované materiály, takže se z nich stane jeden konstrukční celek, řeší problém spojování některých dílů SpaceX ze slitiny hliníku.
Obrázek: Nature.
S chemií nových materiálů se často setkáváme při výzkumu polovodičů a v poslední době je kontrola nad dopantem natolik jemná, že dokáže do diamantové mřížky vnést jednoatomové bodové vady. Tato přesnost výroby je také rozhodující pro takzvané „vysokoentropické“ slitiny, což jsou hybridní směsi čtyř, pěti nebo více různých prvků, které mohou přinést obrovské zvýšení houževnatosti a také to, že věci z nich vyrobené jsou tenčí, lehčí a odolnější. Metalurg z MIT vytvořil slitinu s vysokou entropií podobnou oceli, která je extrémně tvrdá a zároveň vysoce tvárná, což jsou vlastnosti, o kterých jsme si já i všichni ostatní mysleli, že se vzájemně vylučují.
Je samozřejmě důležitý výběr dopantu. Tantal a wolfram jsou tvrdé, husté a radiaci odolné kovy, které byly přimíchány do titanu, aby vytvořily „radiační klenbu“ Juno. Klenba chrání citlivé obvody ve vědeckém užitečném zatížení a obětuje se křehnutí, aby elektronika mohla žít co nejdéle.
Radiační nebezpečí lze zmírnit stíněním – v podstatě tím, že mezi užitečné zatížení a vysokoenergetické nabité částice, které mohou převracet bity, korodovat kovy a zkratovat spoje, umístíte atomy. Na Zemi je olovo jasnou volbou, ale pro lety do vesmíru se olovo nehodí, protože je příliš měkké, aby odolalo vibracím, a příliš těžké, aby bylo v každém případě praktické. Proto je radiační trezor Juno převážně z titanu; je pevnější než hliník a lehčí než ocel.
Je to vlastně velký problém, když se snažíme přijít na to, jak udržet elektroniku v chodu co nejdéle, když je ve vesmíru. Nemůžete vyrobit vesmírnou loď bez počítače. A i když obvody neustále zmenšujeme a snižujeme jejich energetickou náročnost, v určitém bodě se objeví fyzikální hranice velikosti a spotřeby. V blízkosti těchto mezí je velmi snadné systém narušit. Radiační poškození, tepelné rozdíly, elektrické zkraty a fyzické vibrace představují pro elektronické obvody nebezpečí. Spintronika by mohla přispět k rozvoji počítačů a poskytnout mnohem větší výpočetní šířku pásma pro použití při všech činnostech, které byste potřebovali na mezihvězdné cestě. Mohly by také maximálně omezit elektromagnetické nebezpečí, které je pro elektroniku v intenzivním magnetickém poli, jako je to kolem Jupiteru, tak škodlivé. Ale dokud neuděláme skutečné optické obvody nebo spintroniku, budeme muset vymyslet, jak zajistit, aby se stará dobrá elektronika ve vesmíru chovala slušně, a to bude pravděpodobně zahrnovat starou dobrou Faradayovu klec.
Kompozity
Kompozity je těžké vyrábět, protože často vyžadují extrémně specializovaná výrobní zařízení, obrovské autoklávy a podobně. Ale když jsou dobré, jsou velmi, velmi dobré.
Vícevrstvá izolace (MLI) je tepelně i elektricky izolační a NASA ji používá prakticky všude, kde to jde. Díky MLI vypadají kosmické lodě jako pokryté zlatou fólií. Existuje však i druh MLI pro aplikace, kde je třeba celou věc elektricky uzemnit, a ten místo textilní síťoviny podobné tylu mezi vrstvami fólie používá kovovou síťovinu.
SpaceX používá při konstrukci svých vozidel tuhé kompozity, přičemž vrství dohromady uhlíková vlákna a kovové voštiny, aby vytvořila strukturu, která je velmi lehká a zároveň velmi pevná. Pěny a aerogely mohou dělat také lehké, tuhé a tepelně nepropustné vrstvy.
Po vytažení vypadal kryt z Falconu 9 takto. Všimněte si obalu z uhlíkových vláken, který obepíná kovovou voštinu.
Kompozity vynikají proti fyzikálním nebezpečím a namáhání, ale tuhé materiály nejsou jedinou cestou. Nafukovací vesmírný hab modul BEAM, kterému s oblibou říkám skákací hrad v plechovce, je vyroben z pružných kompozitních materiálů včetně unikátní skelné tkaniny zvané beta tkanina. NASA a další organizace používají beta tkaninu a podobné věci již od konce 90. let, a to z dobrého důvodu: Tuto látku je prostě nemožné poškodit. Je vyrobena ze skleněných vláken potažených PTFE v košové vazbě a je dítětem lásky skleněných vláken a teflonu. Je prakticky nemožné ji rozříznout nebo dokonce poškrábat i těmi nejtvrdšími a nejostřejšími noži. Protože je pružný, je odolný proti nárazům. Je odolný vůči korozi i vlivem volného atmosférického kyslíku. Vědci do ní stříleli laserem, a to nakonec způsobilo, že začala degradovat.
Podobně jako beta tkanina existuje také pružná kovová tkanina Chromel-R, kterou používáme v otěruvzdorných záplatách na tělech kosmických lodí a skafandrech. Chromel-R je podobný tkaným skleněným rohožím beta tkaniny, ale je vyroben z tvrdých, potažených kovových drátů. Vědci navíc zjistili, že „vycpaný Whipplův štít“, což je vrstvená konfekce z tkaniny z keramických vláken a kevlaru, funguje lépe než hliníkové pokovení při zastavení hyperrychlých keramických pelet simulujících kosmický odpad – tím, že pelety roztaví nebo rozloží (PDF).
Kosmické skafandry jsou vlastně ideální aplikací pro pružné kompozity. Žádný materiál není odolný vůči všemu. Pokud však spojíte tenké vrstvy několika materiálů, z nichž každý je odolný vůči většině věcí, získáte exo-oblek odolný vůči všemu, který se přesto může ohýbat a pružit spolu s uživatelem. Přidejte vrstvu Darlexxu nebo něčeho podobného, a la skafandry nové generace společnosti SpaceX, doplňte ji vrstvou flexiramidové tkaniny a máte ohnivzdorný tlakový oblek. Dejte tam také vrstvu tlumící nenewtonské kapaliny a nějaké traumatické destičky z keramické slitiny a je z toho ohnivzdorné brnění. Pak už potřebujete jen HUD v helmě a možná nějakou paměťovou pěnu s vysokou hustotou v polštářích sedadel. To jsou věci, které bychom mohli dělat jen s dnes dostupnými produkty.
Podívejte se na náš seriál ExtremeTech Explains, kde najdete další podrobné informace o nejžhavějších technologických tématech dneška.
Horní obrázek: Interiér lodi SpaceX Dragon V2
.