Mi a legkorszerűbb alkalmazott anyagok az űrben? Például miből készítenél egy következő generációs űrruhát? Vagy az exobolygóra szállító űrhajót? A mi céljaink érdekében kerüljük el azt, ami a horizonton túl jön; senki sem akar vaporware-ről olvasni, vagy olyan rosszul átgondolt trükkökről, amelyek csillogónak tűnnek, de a végén embereket ölnek. Itt csak olyan dolgokkal fogunk foglalkozni, amelyek már aktívan használatban vannak, vagy legalábbis bétatesztelés alatt állnak a terepen.
A technológiai fejlődésnek van néhány különböző osztálya. Nagyjából az új anyagok előállításához használt receptek együtt fejlődtek a gyártási módszerekkel, és sokkal ambiciózusabbá váltak azok a dolgok, amiket az anyagainkkal próbálunk csinálni. Egyre nagyobb veszélyeknek udvarolunk, és ennek megfelelően el kell érnünk az általunk használt anyagok összetételének és teljesítményének megfelelő szintű elsajátítását.
Az anyagoknak is van néhány alapvető fajtája. A fejlett kompozitok különálló anyagokat rétegeznek egymásra, míg az ötvözetek összeolvasztanak vagy feloldanak dolgokat, hogy homogén készterméket kapjanak.
Mondjuk a kerámiákat. A kerámia klasszikus definíciója szerint olyan oxid, nitrid vagy karbid anyag, amely rendkívül kemény és rideg, vagyis eltörik, ha elég nagy fizikai ütés éri. A kerámiák gyakran erősek összenyomáskor, de gyengék húzó- és nyírófeszültség esetén. Ha azonban a kerámiaanyagokat addig hevítik, amíg olyan szálasak lesznek, mint a fonott cukor, majd fúvókákon keresztül szálakká fújják őket, akkor puha, rugalmas szövetekké, például kerámiagyapjúvá, szilikafilccé és “flexiramikává” dolgozhatók fel. Ezek az anyagok egyszerűen nem égnek, így hasznosak, ha olyan puha, ütéselnyelő párnázatra van szükség, amely lángálló is.
Az üvegkerámia a legtöbbünk számára kicsit ismertebb, ha más néven is: Gorilla Glass, amelyet ma már gyakran látni az okostelefonokban. Ez egy alumínium-szilikát üveg, amely úgy keletkezik, hogy az olvadt üveg magot képez a kerámia adalékanyag-részecskék körül, amelyek csak magas hőmérsékleten oldódnak. Amikor lehűl, a Corning szerint 50 és 99% közötti kristályosságot érhetünk el. Az így kapott anyag nagyon kevéssé hasonlít az üvegre, kivéve az átlátszóságát. Edzéskor a feszültség és a tömörítés közötti egyensúly miatt az anyag pokolian kemény. Az üvegkerámia jól használható elektromosan vezető bevonatokkal is, és a mérnökök ezt a tulajdonságot használják az űrhajók ablakain, hogy megóvják azokat a páralecsapódástól és a jégtől.
Az anyagkémia
Az űrhajók ablakai az anyagtudomány nagyszerű alkalmazása. Az űrben használható ablakok készítésének egyik módja az olvasztott szilícium-dioxid, ami 100%-os tisztaságú olvasztott szilícium-dioxid. Egy másik őrült ablakanyag az alumínium-oxinitrid, ami tulajdonképpen egy átlátszó kerámia, amit golyóálló dolgok készítésére használunk. Az alumínium-oxid-nitrid golyóálló termékek egyik gyártója által készített videón (lásd alább) 1,6 hüvelyknyi AlON elegendő volt ahhoz, hogy teljesen megállítson egy páncéltörő .50 kaliberű lövedéket. Az AlON és az olvasztott szilícium-dioxid mindkettő finom pornak, úgynevezett fritnek indul, amelyet egy formába tömörítenek, majd a földöntúli hőmérsékleten egyetlen darab átlátszó, szuperkemény anyaggá sütnek.
Hacsak nem 100%-ban tiszta anyagokkal dolgozol, ami sok esetben nem lehetséges, az adalékolás gondolata központi szerepet játszik az egészben. A doppingolás azt jelenti, hogy egy csipetnyi különleges anyagot adunk egy egyébként hétköznapi recepthez, hogy kihasználjuk a különleges dolog előnyeit anélkül, hogy foglalkoznánk azokkal a hibákkal, amelyekkel tiszta állapotban rendelkezik. Sok esetben a doppingolás eredményeként létrejövő anyag végül alig hasonlít valamelyik alapanyagra.
A fémkohászat nagyban támaszkodik a doppingolásra, amit ebben az esetben ötvözésnek nevezünk. Vannak egészen fantasztikus dolgok, amiket a fémekkel tehetünk. Az alumínium-niobium ötvözetek olvadáshőmérséklete elég magas ahhoz, hogy ellenálljanak a Falcon 9 hajtómű fúvókáiban lévő termikus környezetnek. De csak azért, mert regeneratív hűtést is alkalmaznak: a hajtóanyag a fúvókák falában lévő kamrákon keresztül ciklikusan kering, hűtve a harangot és felmelegítve a hajtóanyagot. (Ez egy hőszivattyú.) Az aranyat és sárgarezet tartalmazó ötvözetek azért hasznosak, mert egyszerűen nem korrodálnak, függetlenül a hőmérséklettől vagy a kémiai szélsőségektől. A parmezán sajtban lévő csomósodásgátló adalékanyagokhoz hasonlóan léteznek még olyan fémötvözetek is, amelyek szilíciumot tartalmaznak, csak azért, mert a szilícium miatt az olvadt fém könnyebben folyik, és ezért jobban alkalmas az összetett öntésre.
A SpaceX néhány alumíniumötvözetből készült alkatrészének illesztési problémáját megoldja a súrlódásos hegesztés, amely fizikailag összeolvasztja a két hegesztendő anyagot, hogy azok egyetlen szerkezeti egységgé váljanak.
Képhitel: Nature.
A félvezető-kutatásban gyakran találkozunk újszerű anyagkémiai eljárásokkal, és az utóbbi időben az adalékanyag ellenőrzése elég finom lett ahhoz, hogy egyatomos ponthibákat vezessenek be a gyémántrácsba. Ez a gyártási pontosság az úgynevezett “nagyentrópiájú” ötvözeteknél is kritikus fontosságú, amelyek négy, öt vagy több különböző elem hibrid keverékei, amelyek óriási szívósságnövekedést eredményezhetnek, valamint vékonyabbá, könnyebbé és tartósabbá teszik a belőlük készült tárgyakat. Egy MIT-s kohász olyan magasentrópiájú acélszerű ötvözetet készített, amely egyszerre rendkívül kemény és rendkívül képlékeny, olyan tulajdonságok, amelyekről én és mindenki más azt hitte, hogy kölcsönösen kizárják egymást.
Természetesen az adalékanyag kiválasztása is fontos. A tantál és a volfrám kemény, sűrű, sugárzásálló fémek, amelyeket a titánba kevertek, hogy a Juno “sugárzási boltozatát” készítsék. A páncélterem védi a tudományos hasznos teher érzékeny áramköreit, feláldozza magát a ridegségnek, hogy az elektronika a lehető leghosszabb ideig élhessen.
A sugárzás veszélyeit árnyékolással lehet csökkenteni – lényegében atomokat helyezünk a hasznos teher és a nagy energiájú töltött részecskék közé, amelyek felboríthatják a biteket, korrodálhatják a fémeket és rövidre zárhatják a csatlakozásokat. A Földön az ólom a kézenfekvő választás, de az ólom nem működik az űrrepülésben, mert túl puha ahhoz, hogy ellenálljon a rezgéseknek, és túl nehéz ahhoz, hogy mindenképpen praktikus legyen. Ezért van az, hogy a Juno sugárzási páncélterme nagyrészt titánból van; ez keményebb, mint az alumínium, és könnyebb, mint az acél.
Ez valójában egy nagy probléma, hogy megpróbáljuk kitalálni, hogyan tudjuk az elektronikát a lehető legtovább üzemben tartani, amíg az űrben van. Nem lehet űrhajót építeni számítógép nélkül. És bár folyamatosan kisebbé tesszük az áramköröket, és folyamatosan csökkentjük az energiaigényüket, egy bizonyos ponton a méret és az energiafogyasztás fizikai határai vannak. E küszöbértékek közelében rendkívül könnyű megzavarni egy rendszert. A sugárzás okozta károsodás, a hőkülönbségek, az elektromos zárlatok és a fizikai rezgések mind veszélyt jelentenek az elektronikus áramkörökre. A spintronika segíthet a számítógépek fejlődésében, sokkal nagyobb számítási sávszélességet biztosítva, hogy bármit megtehessünk, amire egy csillagközi utazás során szükségünk lehet. A Jupiterhez hasonló intenzív mágneses mezőben az elektronikát károsító elektromágneses veszélyeket is korlátozni tudnák. De amíg az optikai áramkörök vagy a spintronika nem válik valósággá, addig ki kell találnunk, hogyan viselkedjen a jó öreg elektronika az űrben, és ehhez valószínűleg egy jó öreg Faraday-ketrec kell.
Kompozitok
A kompozitokat nehéz előállítani, mert gyakran rendkívül speciális gyártási létesítményekre, hatalmas autoklávokra és hasonlókra van szükség. De amikor jók, akkor nagyon-nagyon jók.
A többrétegű szigetelés (MLI) hő- és elektromos szigetelő, és a NASA gyakorlatilag mindenhol használja az anyagot, ahol csak tudja. Az MLI az, ami miatt az űrhajók úgy néznek ki, mintha aranyfóliával lennének borítva. De létezik egyfajta MLI olyan alkalmazásokra, ahol az egészet elektromosan is földelni kell, és ez a fóliarétegek között tüllszerű textilháló helyett fémhálót használ.
A SpaceX merev kompozitokat használ a járművük építésénél, szénszálakat és fém méhsejteket rétegezve egymásra, hogy olyan szerkezetet hozzanak létre, amely egyszerre nagyon könnyű és nagyon erős. A habok és aerogélek is képesek könnyű, merev, hőáteresztő rétegek készítésére.
A kiemelés után így nézett ki a Falcon 9 burkolata. Figyeljük meg a szénszálas burkolatot, amely a fém méhsejtet veszi körül.
A kompozitok kiválóan ellenállnak a fizikai veszélyeknek és igénybevételeknek, de a merev anyagok nem az egyetlen megoldás. A BEAM felfújható űrhajómodul, amelyet én szeretettel ugrálóvárnak hívok egy konzervdobozban, rugalmas kompozit anyagokból készült, beleértve egy egyedülálló üvegszövetet, az úgynevezett béta szövetet. A NASA és mások már a 90-es évek vége óta használnak béta szövetet és ehhez hasonló anyagokat, és nem véletlenül: Az anyagot egyszerűen lehetetlen megzavarni. PTFE-vel bevont üvegszálakból készült, kosárfonatú szövet, az üvegszál és a teflon szerelemgyereke. Gyakorlatilag lehetetlen elvágni vagy megkarcolni a legkeményebb, legélesebb pengékkel is. Mivel rugalmas, ütésálló. Még a szabad légköri oxigén által okozott korróziónak is ellenáll. A tudósok lézerrel lőttek rá, és ettől kezdett el végül lebomlani.
A béta szövethez hasonlóan létezik a rugalmas Chromel-R fémszövet is, amelyet kopásálló foltokban használunk az űrhajók testén és az űrruhákon. A Chromel-R olyan, mint a bétaruhák szövött üvegszőnyegei, de kemény, bevonatos fémhuzalokból készül. Továbbá a tudósok megállapították, hogy a “tömött Whipple-pajzs”, amely kerámiaszálas szövet és kevlár réteges konfekciója, jobban működik az űrszemetet szimuláló hipersebességű kerámiagolyók megállításában, mint az alumínium borítás – a golyók megolvasztásával vagy szétesésével (PDF).
Az űrruhák valójában a rugalmas kompozitok tökéletes alkalmazása. Egyetlen anyag sem ellenáll mindennek. De ha több, a legtöbb dologgal szemben ellenálló anyag vékony rétegeit egymáshoz illesztjük, akkor egy mindenre ellenálló exoruhát kapunk, amely még mindig képes a viselőjével együtt hajlítani és hajlítani. Adjunk hozzá egy réteg Darlexxet vagy hasonlót, mint a SpaceX következő generációs űrruhái, majd tegyünk rá egy réteg flexiramis szövetet, és máris kész a tűzálló nyomóruha. Tegyünk bele egy réteg nemnewtoni folyadékpárnát és néhány kerámiaötvözetből készült traumalemezt is, és máris tűzálló páncélzatot kapunk. Ezután már csak egy HUD-ra van szükséged a sisakodban, és talán némi nagy sűrűségű memóriahabra az üléspárnákban. Ezeket a dolgokat már a ma kapható termékekkel is meg tudnánk csinálni.
Nézze meg az ExtremeTech Explains sorozatunkat, ha még részletesebben foglalkozna napjaink legforróbb technológiai témáival.
Top image credit: SpaceX Dragon V2 belső tér