Jaki jest stan wiedzy na temat stosowanych materiałów dla przestrzeni kosmicznej? Na przykład, czego użyłbyś do stworzenia kombinezonu kosmicznego nowej generacji? Albo statku kosmicznego, który przyniósłby go na egzoplanetę? Dla naszych celów, unikajmy tego, co pojawia się na horyzoncie; nikt nie chce czytać o vaporware, lub rodzaju źle przemyślanego gadżetu, który wygląda błyszcząco, ale kończy się śmiercią ludzi. Tutaj zajmiemy się tylko rzeczami, które są w aktywnym użyciu, lub przynajmniej są w fazie beta testów w terenie.
Istnieje kilka różnych klas rozwoju technologicznego. Ogólnie rzecz biorąc, przepisy, których używamy do wytwarzania nowych materiałów, ewoluowały wraz z metodami produkcji, a rzeczy, które próbujemy robić z naszymi materiałami, stały się o wiele bardziej ambitne. Stawiamy czoła coraz większym zagrożeniom i musimy osiągnąć odpowiedni poziom opanowania składu i wydajności materiałów, których używamy.
Istnieje też kilka podstawowych rodzajów materiałów. Zaawansowane kompozyty łączą warstwy oddzielnych materiałów, podczas gdy stopy topią lub rozpuszczają rzeczy razem, aby uzyskać jednorodny produkt końcowy.
Rozważmy ceramikę. Klasyczna definicja ceramiki to materiał tlenkowy, azotkowy lub węglikowy, który jest niezwykle twardy i kruchy, co oznacza, że pęka, jeśli uderzysz go wystarczająco dużym wstrząsem fizycznym. Ceramika jest często mocna przy ściskaniu, ale słaba przy naprężeniach rozciągających i ścinających. Ale kiedy materiały ceramiczne są podgrzewane do momentu, gdy stają się tak żylaste jak cukier, a następnie wydmuchiwane przez dysze we włókna, można je przetworzyć na miękkie, elastyczne tkaniny, takie jak wełna ceramiczna, filc krzemionkowy i „flexiramics”. Materiały te po prostu płasko nie będzie palić, więc są one przydatne, gdy jest zastosowanie dla miękkich, amortyzujących wstrząsy wyściółek, które są również ognioodporne.
Glass-ceramika są nieco bardziej znane większości z nas, jeśli pod inną nazwą: Gorilla Glass, który jest powszechnie postrzegane w smartfonach dzisiaj. Jest to szkło glinokrzemianowe utworzone przez pozwalanie stopionemu szkłu zarodkować wokół ceramicznych cząstek domieszek, które są rozpuszczalne tylko w wysokich temperaturach. Po ochłodzeniu, to dostaje gdzieś pomiędzy 50 i 99% krystaliczności, według Corning. Powstały materiał jest bardzo mało podobny do szkła, z wyjątkiem jego przezroczystości. Po zahartowaniu, równowaga pomiędzy napięciem i kompresją sprawia, że materiał jest twardy jak diabli. Szkło-ceramika dobrze sprawdza się również z powłokami przewodzącymi prąd elektryczny, a inżynierowie wykorzystują tę cechę w oknach statków kosmicznych, aby utrzymać je wolne od kondensacji i lodu.
Chemia materiałowa
Okna statków kosmicznych są świetnym zastosowaniem materiałoznawstwa. Jednym ze sposobów na stworzenie okien nadających się do lotu w kosmos jest stopiona krzemionka, która jest w 100% czystym stopionym dwutlenkiem krzemu. Innym szalonym materiałem na okna jest tlenek aluminium, który jest właściwie przezroczystą ceramiką, której używamy do robienia rzeczy kuloodpornych. W filmie wyprodukowanym przez jednego z producentów produktów kuloodpornych z tlenku glinu (patrz poniżej), 1,6 cala AlON wystarczyło, by całkowicie zatrzymać pocisk przeciwpancerny kalibru .50. AlON i stopiona krzemionka zaczynają się jako drobny proszek zwany frytą, który jest ubijany w formie, a następnie po prostu wypiekany w najbardziej nieziemskich temperaturach w pojedynczy kawałek przezroczystego, super twardego materiału.
Jeśli nie pracujesz ze 100% czystymi substancjami, co w wielu przypadkach nie jest możliwe, idea dopingu jest kluczowa dla tego wszystkiego. Doping oznacza dodanie szczypty czegoś specjalnego do prozaicznego przepisu, aby skorzystać z zalet tej specjalnej rzeczy bez radzenia sobie z wadami, które ma ona w czystej postaci. W wielu przypadkach to, co powstaje w wyniku domieszkowania, kończy się na niewielkim podobieństwie do któregokolwiek z materiałów macierzystych.
Metalurgia opiera się w dużym stopniu na domieszkowaniu, które w tym przypadku nazywa się stopowaniem. Istnieją dość fantastyczne rzeczy, które możemy zrobić z metalami. Stopy aluminium i niobu mają wystarczająco wysokie temperatury topnienia by wytrzymać środowisko termiczne wewnątrz dysz silnika Falcona 9. Ale to tylko dlatego, że wykorzystują one także chłodzenie regeneracyjne: propelent przepływa przez komory w ściankach dysz, chłodząc dzwon i ogrzewając propelent. (Stopy złota i mosiądzu są użyteczne, ponieważ po prostu nie korodują, bez względu na temperaturę czy ekstremalne warunki chemiczne. Podobnie jak dodatki zapobiegające zbrylaniu w parmezanie, istnieją nawet stopy metali, które obejmują krzem tylko dlatego, że krzem sprawia, że stopiony metal płynie łatwiej, a zatem lepiej nadaje się do skomplikowanego odlewania.
Spawanie tarciowe z przemieszaniem, które fizycznie topi dwa spawane materiały tak, że stają się one jednym konstrukcyjnym bytem, rozwiązuje problem łączenia dla niektórych aluminiowo-aluminiowych części SpaceX.
Image credit: Nature.
Widzimy nowatorską chemię materiałową dużo w badaniach nad półprzewodnikami, a ostatnio kontrola nad domieszką stała się wystarczająco dokładna, aby wprowadzić jednoatomowe skazy punktowe do siatki diamentowej. Ta precyzja produkcji jest również krytyczna dla tak zwanych „high-entropy” stopów, które są hybrydowe mieszaniny czterech, pięciu lub więcej różnych elementów, które mogą przynieść ogromne zyski w twardości, jak również czyniąc rzeczy wykonane z nich cieńsze, lżejsze i bardziej trwałe. Metalurg z MIT dokonał high-entropii stali-jak stop, który jest zarówno bardzo twarde i bardzo plastyczne, które są cechy, które ja i wszyscy inni myśleli wzajemnie wyklucza.
Oczywiście wybór domieszki jest ważne. Tantal i wolfram to twarde, gęste, odporne na promieniowanie metale, które zostały wymieszane z tytanem, by stworzyć „sklepienie radiacyjne” Juno. Sklepienie chroni delikatne obwody w ładunku naukowym, poświęcając się kruchości, aby elektronika mogła żyć tak długo, jak to możliwe.
Zagrożenia promieniowaniem można złagodzić za pomocą osłon – w zasadzie, umieszczając atomy pomiędzy ładunkiem a wysokoenergetycznymi naładowanymi cząstkami, które mogą przerzucać bity, korodować metale i przerywać połączenia. Ołów jest oczywistym wyborem na Ziemi, ale ołów nie nadaje się do lotów kosmicznych, ponieważ jest zbyt miękki, by wytrzymać wibracje i zbyt ciężki, by był praktyczny w każdym przypadku. To dlatego sklepienie radiacyjne Juno jest w większości tytanowe; jest twardsze niż aluminium i lżejsze niż stal.
To właściwie poważny problem, próbować dowiedzieć się, jak utrzymać elektronikę działającą tak długo, jak to możliwe, gdy są w przestrzeni. Nie można zbudować statku kosmicznego bez komputera w nim. I choć wciąż zmniejszamy obwody i obniżamy ich zapotrzebowanie na energię, to w pewnym momencie pojawiają się fizyczne granice wielkości i zużycia energii. W pobliżu tych progów niezwykle łatwo jest zakłócić działanie systemu. Uszkodzenia radiacyjne, różnice termiczne, zwarcia elektryczne i fizyczne wibracje – wszystkie te czynniki stanowią zagrożenie dla układów elektronicznych. Spintronika mogłaby przyczynić się do rozwoju komputerów, zapewniając znacznie większą przepustowość obliczeniową, która mogłaby być wykorzystana do robienia wszystkiego, co byłoby potrzebne podczas podróży międzygwiezdnej. Mogłyby one również ograniczyć zagrożenia EM, które są tak szkodliwe dla elektroniki w intensywnym polu magnetycznym, takim jak to wokół Jowisza. Ale dopóki nie uczynimy obwodów optycznych lub spintroniki prawdziwymi, będziemy musieli wymyślić, jak sprawić, by stara dobra elektronika zachowywała się w przestrzeni kosmicznej, a to prawdopodobnie będzie wymagało starej dobrej klatki Faradaya.
Kompozyty
Kompozyty są trudne w produkcji, ponieważ często wymagają niezwykle wyspecjalizowanych zakładów produkcyjnych, ogromnych autoklawów i tym podobnych. Ale kiedy są dobre, są bardzo, bardzo dobre.
Wielowarstwowa izolacja (MLI) jest zarówno termicznie, jak i elektrycznie izolująca, a NASA używa tego materiału praktycznie wszędzie, gdzie tylko może. MLI jest tym, co sprawia, że statki kosmiczne wyglądają jakby były pokryte złotą folią. Ale istnieje rodzaj MLI do zastosowań, gdzie cały shebang musi być elektrycznie uziemiony, zbyt, i że używa siatki metalowej zamiast tiul-jak siatka tekstylna między jego warstwami folii.
SpaceX używa sztywnych kompozytów w ich konstrukcji pojazdu, układanie razem włókna węglowego i plastry miodu metalu do produkcji struktury, która jest zarówno bardzo lekki i bardzo wytrzymały. Pianki i aerożele również mogą tworzyć lekkie, sztywne, nieprzepuszczalne termicznie warstwy.
Po odzyskaniu, tak wyglądała owiewka z Falcona 9. Zwróć uwagę na włókna węglowe pokrywające metaliczny plaster miodu.
Kompozyty doskonale radzą sobie z zagrożeniami fizycznymi i czynnikami stresogennymi, ale sztywne materiały nie są jedynym rozwiązaniem. BEAM nadmuchiwany moduł kosmiczny hab, który czule nazywam zamek bounce w puszce, wykonany jest z elastycznych materiałów kompozytowych, w tym unikalnej tkaniny szklanej zwanej tkaniną beta. NASA i inni używają tkaniny beta i podobnych rzeczy od końca lat 90-tych, nie bez powodu: Materiał ten jest po prostu niemożliwy do sfałszowania. Wykonane z włókien szklanych pokrytych PTFE w tkaninie o splocie koszykowym, jest to dziecko miłości włókna szklanego i teflonu. Praktycznie nie da się go przeciąć ani nawet zadrapać nawet najostrzejszymi ostrzami. Ponieważ jest elastyczny, jest odporny na uderzenia. Nie jest odporny na korozję, nawet w przypadku ataku wolnego tlenu atmosferycznego. Naukowcy strzelali do niego laserami i to właśnie sprawiło, że w końcu zaczął się degradować.
Podobnie do tkaniny beta, istnieje również elastyczna tkanina metalowa Chromel-R, którą stosujemy w odpornych na ścieranie łatach na korpusach statków kosmicznych i skafandrach kosmicznych. Chromel-R jest jak tkane maty szklane z tkaniny beta, ale wykonane z twardych, powlekanych drutów metalowych. Co więcej, naukowcy odkryli, że „wypchana tarcza Whipple’a”, która jest warstwową konfekcją tkaniny z włókien ceramicznych i Kevlaru, działa lepiej niż aluminiowe poszycie, aby zatrzymać ceramiczne granulki symulujące śmieci kosmiczne – topiąc lub dezintegrując granulki (PDF).
Kombinezony kosmiczne są właściwie idealnym zastosowaniem dla elastycznych kompozytów. Żaden pojedynczy materiał nie jest odporny na wszystko. Jeśli jednak połączysz cienkie warstwy kilku materiałów, z których każdy jest odporny na większość rzeczy, otrzymasz odporny na wszystko egzo-kombinezon, który nadal może się zginać i wyginać wraz z użytkownikiem. Dodaj warstwę Darlexxu lub podobnego materiału, tak jak w przypadku kombinezonów kosmicznych nowej generacji firmy SpaceX, a na to warstwę tkaniny flexiramic i masz ognioodporny kombinezon ciśnieniowy. Dodaj do tego warstwę amortyzującą z cieczy nienewtonowskiej i kilka ceramicznych płyt urazowych, i już masz ognioodporny pancerz. Wszystko, czego potrzebujesz, to HUD w hełmie i może trochę pianki pamięciowej o wysokiej gęstości w poduszkach siedzeń. To są rzeczy, które moglibyśmy zrobić tylko z produktów dostępnych dzisiaj.
Sprawdź naszą serię ExtremeTech Explains, aby uzyskać więcej szczegółowych informacji na temat najgorętszych tematów technologicznych.
Górny obrazek: SpaceX Dragon V2 interior