Mikä on avaruudessa käytettävien soveltavien materiaalien nykytila? Esimerkiksi, mitä käyttäisit seuraavan sukupolven avaruuspuvun valmistukseen? Tai avaruusaluksen, joka toi sen eksoplaneetalle? Meidän tarkoituksiamme varten vältetään sitä, mikä on tulossa horisontin takaa; kukaan ei halua lukea vaporwaresta tai sellaisesta huonosti harkitusta kikkailusta, joka näyttää kiiltävältä mutta päätyy tappamaan ihmisiä. Käsittelemme tässä vain asioita, jotka ovat aktiivisessa käytössä tai ainakin beta-testauksessa kentällä.
Teknologisessa kehityksessä on muutamia eri luokkia. Laajasti ottaen reseptit, joilla valmistamme uusia materiaaleja, ovat kehittyneet yhdessä valmistusmenetelmien kanssa, ja asiat, joita yritämme tehdä materiaaleillamme, ovat muuttuneet paljon kunnianhimoisemmiksi. Houkuttelemme yhä suurempia vaaroja, ja meidän on saavutettava vastaava taso käyttämiemme materiaalien koostumuksen ja suorituskyvyn hallitsemisessa.
Materiaaleja on myös paria peruslajia. Kehittyneet komposiitit yhdistävät erillisiä materiaaleja, kun taas metalliseokset sulattavat tai liuottavat asioita yhteen saadakseen homogeenisen lopputuotteen.
Ajatellaanpa vaikka keramiikkaa. Klassisen määritelmän mukaan keramiikka on oksidi-, nitridi- tai karbidimateriaali, joka on erittäin kovaa ja haurasta, eli se murtuu, jos siihen kohdistuu tarpeeksi suuri fyysinen isku. Keraamiset aineet ovat usein vahvoja puristuksessa, mutta heikkoja veto- ja leikkausjännityksissä. Mutta kun keraamisia materiaaleja kuumennetaan, kunnes ne ovat säikeisiä kuin kehrätty sokeri, ja sitten ne puhalletaan suuttimien läpi kuiduiksi, niistä voidaan valmistaa pehmeitä, joustavia kankaita, kuten keraamista villaa, piihuopaa ja ”flexiramicsia”. Nämä materiaalit eivät yksinkertaisesti pala, joten niistä on hyötyä, kun tarvitaan pehmeää, iskuja vaimentavaa pehmustetta, joka on myös liekinkestävä.
Lasikeramiikka on useimmille meistä hieman tutumpaa, joskin toisella nimellä: Gorilla-lasi, jota näkee nykyään yleisesti älypuhelimissa. Se on aluminosilikaattilasi, joka muodostuu antamalla sulan lasin ydintyä keraamisten dopanttihiukkasten ympärille, jotka liukenevat vain korkeissa lämpötiloissa. Kun lasi jäähtyy, se on Corningin mukaan 50-99-prosenttisesti kiteistä. Tuloksena syntyvä materiaali muistuttaa hyvin vähän lasia lukuun ottamatta sen läpinäkyvyyttä. Karkaistuna jännityksen ja puristuksen välinen tasapaino tekee aineesta helvetin sitkeää. Lasikeramiikka sopii hyvin myös sähköä johtaviin pinnoitteisiin, ja insinöörit käyttävät tätä ominaisuutta avaruusalusten ikkunoissa pitääkseen ne vapaina kondenssista ja jäästä.
Materiaalikemia
Avaruusalusten ikkunat ovat hieno materiaalitieteen sovellus. Yksi tapa valmistaa avaruuskelpoisia ikkunoita on sulatettu piidioksidi, joka on 100-prosenttisesti puhdasta sulatettua piidioksidia. Toinen hullu ikkunamateriaali on alumiinioksinitridi, joka on itse asiassa läpinäkyvä keramiikka, jota käytämme luodinkestävyyden parantamiseen. Erään alumiinioksinitridin luodinkestäviä tuotteita valmistavan valmistajan tuottamassa videossa (ks. alla) 1,6 tuumaa AlONia riitti pysäyttämään täysin panssaria läpäisevän .50-kaliiperisen luodin. AlON ja sulatettu piidioksidi alkavat molemmat hienojakoisesta jauheesta, jota kutsutaan fritiksi, joka tampataan muottiin ja sitten vain leivotaan mitä epämaallisimmissa lämpötiloissa yhdeksi kappaleeksi läpinäkyvää, superkovaa materiaalia.
Jollei työskennellä 100-prosenttisen puhtaiden aineiden kanssa, mikä ei monissa tapauksissa ole mahdollista, ajatus dopingista on keskeinen kaikessa tässä asiassa. Doping tarkoittaa ripauksen lisäämistä jostain erityisestä aineesta muuten arkipäiväiseen reseptiin, jotta voidaan hyödyntää erityisestä aineesta saatavia hyötyjä ilman, että joudutaan kamppailemaan niiden puutteiden kanssa, joita sillä on puhtaana. Monissa tapauksissa dopingin tuloksena syntyvä aine ei muistuta juurikaan kumpaakaan lähtömateriaalia.
Metallurgiassa käytetään paljon dopingia, jota tässä tapauksessa kutsutaan seostamiseksi. Metalleilla voidaan tehdä melko fantastisia asioita. Alumiini-niobiumseosten sulamislämpötilat ovat tarpeeksi korkeat kestämään Falcon 9:n moottorin suuttimien sisäistä lämpöympäristöä. Mutta vain siksi, että niissä käytetään myös regeneratiivista jäähdytystä: ajoaine kiertää suuttimien seinämissä olevien kammioiden läpi, jolloin kello jäähtyy ja ajoaine lämpenee. (Kyseessä on lämpöpumppu.) Kultaa ja messinkiä sisältävät seokset ovat käyttökelpoisia, koska ne eivät yksinkertaisesti ruostu lämpötilasta tai kemiallisesta äärimmäisyydestä riippumatta. Kuten parmesaanijuustossa olevat paakkuuntumisen estävät lisäaineet, on olemassa jopa metalliseoksia, joissa on piitä vain siksi, että pii saa sulan metallin virtaamaan helpommin, ja siksi ne soveltuvat paremmin monimutkaiseen valamiseen.
Kiertohitsaus, joka sulattaa fyysisesti yhteen kaksi hitsattavaa materiaalia niin, että niistä tulee yksi rakenteellinen kokonaisuus, ratkaisee joidenkin SpaceX:n alumiiniseososien liitosongelman.
Kuvan luotto: Nature.
Puolijohdetutkimuksessa näemme paljon uudenlaista materiaalikemiaa, ja viime aikoina dopingaineen kontrolloinnista on tullut riittävän hienovaraista, jotta timanttiristikkoon voidaan tuoda yhden atomin pistevikoja. Tämä valmistustarkkuus on ratkaisevan tärkeää myös niin sanotuille ”korkea-entrooppisille” seoksille, jotka ovat neljän, viiden tai useamman eri alkuaineen hybridiseoksia, joilla voidaan saavuttaa valtavia parannuksia sitkeyteen sekä tehdä niistä valmistetuista esineistä ohuempia, kevyempiä ja kestävämpiä. Eräs MIT:n metallurgi on valmistanut teräksen kaltaisen korkea-entrooppisen metalliseoksen, joka on sekä äärimmäisen kova että erittäin sitkeä, ominaisuuksia, joita minä ja kaikki muut luulimme toisensa poissulkeviksi.
Tietenkin seostusaineen valinta on tärkeää. Tantaali ja volframi ovat kovia, tiiviitä, säteilynkestäviä metalleja, jotka sekoitettiin titaaniin Junon ”säteilyholvin” tekemiseksi. Holvi suojaa tieteellisen hyötykuorman herkkiä virtapiirejä ja uhrautuu haurastumiselle, jotta elektroniikka voi elää mahdollisimman pitkään.
Säteilyvaaroja voidaan lieventää suojaamalla – periaatteessa asettamalla atomeja hyötykuorman ja korkea-energisten varattujen hiukkasten väliin, jotka voivat kääntää bittejä, syövyttää metalleja ja oikosulkea yhteyksiä. Lyijy on ilmeinen valinta maan päällä, mutta lyijy ei sovellu avaruuslentoihin, koska se on liian pehmeää kestääkseen tärinää ja liian painavaa ollakseen käytännöllistä missään tapauksessa. Siksi Junon säteilyholvi on suurimmaksi osaksi titaania; se on alumiinia sitkeämpää ja terästä kevyempää.
Se on itse asiassa suuri ongelma, kun yritetään keksiä, miten elektroniikka saadaan toimimaan mahdollisimman pitkään, kun se on avaruudessa. Ei voi tehdä avaruusalusta ilman tietokonetta. Ja vaikka teemme piireistä koko ajan pienempiä ja vähennämme niiden tehontarvetta, tietyssä pisteessä koon ja tehonkulutuksen fyysiset lattiat ovat olemassa. Näiden raja-arvojen lähellä on erittäin helppoa häiritä järjestelmää. Säteilyvauriot, lämpöerot, sähköiset oikosulut ja fyysinen tärinä aiheuttavat vaaraa elektroniikkapiireille. Spintroniikka voisi auttaa kehittämään tietokoneita ja tarjota paljon suuremman laskentakaistanleveyden, jota voidaan käyttää kaikkeen, mitä tähtienvälisellä matkalla tarvitaan. Ne voisivat myös rajoittaa sähkömagneettiset vaarat, jotka ovat niin vahingollisia elektroniikalle voimakkaassa magneettikentässä, kuten Jupiterin ympärillä olevassa magneettikentässä. Mutta ennen kuin saamme optiset piirit tai spintroniikan todeksi, meidän on keksittävä, miten saamme vanhan kunnon elektroniikan käyttäytymään avaruudessa, ja siihen tarvitaan luultavasti vanha kunnon Faradayn häkki.
Komposiitit
Komposiitit ovat vaikeita valmistaa, koska ne vaativat usein erittäin erikoistuneita tuotantolaitoksia, valtavia autoklaaveja ja vastaavia. Mutta kun ne ovat hyviä, ne ovat hyvin, hyvin hyviä.
Monikerroksinen eriste (MLI) on sekä lämpö- että sähköeristävää, ja NASA käyttää sitä käytännössä kaikkialla missä voi. MLI saa avaruusalukset näyttämään siltä, että ne on päällystetty kultakalvolla. Mutta on olemassa eräänlainen MLI sovelluksiin, joissa koko kokonaisuus on myös maadoitettava sähköisesti, ja siinä käytetään metalliverkkoa foliokerrosten välissä olevan tylliä muistuttavan tekstiiliverkon sijasta.
SpaceX käyttää jäykkiä komposiitteja ajoneuvorakenteissaan, joissa hiilikuitua ja metallisia hunajakennoja kerrostetaan yhteen tuottaakseen rakenteen, joka on sekä erittäin kevyt että erittäin vahva. Vaahdot ja aerogeelit voivat tehdä myös kevyitä, jäykkiä, lämpöä läpäisemättömiä kerroksia.
Noutamisen jälkeen tältä näytti Falcon 9:n verhous. Huomaa hiilikuitukääre metallisen hunajakennon välissä.
Komposiitit kestävät erinomaisesti fyysisiä vaaroja ja rasituksia, mutta jäykät materiaalit eivät ole ainoa vaihtoehto. Puhallettava BEAM-avaruushab-moduuli, jota kutsun hellästi pomppulinnaksi purkissa, on valmistettu joustavista komposiittimateriaaleista, mukaan lukien ainutlaatuinen lasikangas nimeltä beta-kangas. NASA ja muut tahot ovat käyttäneet betakangasta ja sen kaltaisia materiaaleja 90-luvun lopulta lähtien, ja hyvästä syystä: Kangasta on yksinkertaisesti mahdoton horjuttaa. Se on valmistettu PTFE:llä päällystetyistä lasikuiduista korikudoksessa, ja se on lasikuidun ja teflonin lemmenlapsi. Sitä on käytännössä mahdotonta leikata tai edes naarmuttaa kovimmillakaan terävimmillä terillä. Koska se on joustava, se on iskunkestävä. Se ei läpäise korroosiota edes vapaan ilmakehän hapen vaikutuksesta. Tutkijat ampuivat sitä lasereilla, ja se sai sen lopulta alkamaan hajota.
Beta-kankaan tavoin on olemassa myös joustava Chromel-R-metallikangas, jota käytämme avaruusalusten rungoissa ja avaruuspuvuissa olevissa kulutusta kestävissä laastareissa. Chromel-R on kuin beetakankaan kudotut lasimatot, mutta valmistettu kovista, pinnoitetuista metallilangoista. Lisäksi tutkijat havaitsivat, että ”täytetty Whipple-kilpi”, joka on keraamisista kuiduista valmistetusta kankaasta ja kevlarista koostuva kerroksellinen sekoitus, toimi alumiinipinnoitetta paremmin avaruusromua simuloivien hypernopeiden keraamisien pellettien pysäyttämisessä – sulattamalla tai hajottamalla pelletit (PDF).
Avaruuspuvut ovat itse asiassa täydellinen sovellus taipuisille komposiiteille. Mikään yksittäinen materiaali ei kestä kaikkea. Mutta jos yhdistetään ohuita kerroksia useista materiaaleista, jotka kaikki kestävät useimpia asioita, saadaan kaiken kestävä avaruuspuku, joka voi silti taipua ja taipua käyttäjän mukana. Lisää kerros Darlexxia tai vastaavaa, kuten SpaceX:n seuraavan sukupolven avaruuspuvuissa, ja peitä se kerroksella flexiramic-kangasta, niin saat tulenkestävän painepuvun. Laita siihen myös kerros ei-newtonilaista nestepehmustetta ja joitakin keraamisista seoksista valmistettuja traumalevyjä, niin se on tulenkestävä haarniskapuku. Sitten tarvitaan vain HUD kypärään ja ehkä hieman tiheää muistivaahtoa istuintyynyihin. Tällaisia asioita voisimme tehdä pelkästään nykyisin saatavilla olevilla tuotteilla.
Katso ExtremeTech Explains -sarjamme, josta löydät syvällisempää tietoa tämän päivän kuumimmista teknologia-aiheista.
Top-kuva: SpaceX Dragon V2:n sisätilat
.