Care este stadiul actual al tehnologiei în ceea ce privește materialele aplicate pentru spațiu? De exemplu, ce ați folosi pentru a realiza un costum spațial de ultimă generație? Sau nava spațială care l-a adus pe o exoplanetă? Pentru scopurile noastre, haideți să evităm ceea ce va apărea la orizont; nimeni nu vrea să citească despre vaporware, sau despre genul de gadget prost sfătuit care pare strălucitor, dar care sfârșește prin a ucide oameni. Aici ne vom referi doar la lucruri care sunt în uz activ sau, cel puțin, sunt în faza de testare beta pe teren.
Există câteva clase diferite de dezvoltare tehnologică. În linii mari, rețetele pe care le folosim pentru a face noi materiale au coevoluat cu metodele de fabricație, iar lucrurile pe care încercăm să le facem cu materialele noastre au devenit mult mai ambițioase. Curtăm pericole din ce în ce mai mari și trebuie să atingem un nivel corespunzător de stăpânire asupra compoziției și performanței materialelor pe care le folosim.
Există și câteva tipuri de bază de materiale. Materialele compozite avansate suprapun materiale separate, în timp ce aliajele topesc sau dizolvă lucruri împreună pentru a obține un produs finit omogen.
Considerați ceramica. Definiția clasică a unei ceramice este un material de oxid, nitrură sau carbură care este extrem de dur și fragil, ceea ce înseamnă că se sparge dacă îl loviți cu un șoc fizic suficient de mare. Ceramica este adesea rezistentă la compresie, dar slabă la tensiuni de tracțiune și forfecare. Dar atunci când materialele ceramice sunt încălzite până când devin la fel de fibroase ca zahărul filat și apoi sunt suflate prin duze în fibre, acestea pot fi apoi transformate în țesături moi și flexibile, cum ar fi lâna ceramică, pâsla de siliciu și „flexiramica”. Aceste materiale pur și simplu nu ard, așa că sunt utile atunci când există o aplicație pentru o căptușeală moale, care să absoarbă șocurile și care să fie, de asemenea, ignifugă.
Ceramica de sticlă este puțin mai familiară pentru majoritatea dintre noi, chiar dacă sub un alt nume: Gorilla Glass, care este frecvent întâlnită în prezent pe smartphone-uri. Este o sticlă aluminosilicată formată lăsând sticla topită să se nucleeze în jurul unor particule ceramice dopante care sunt solubile doar la temperaturi ridicate. Când se răcește, se obține undeva între 50 și 99% cristalinitate, potrivit Corning. Materialul rezultat seamănă foarte puțin cu o sticlă, cu excepția transparenței sale. Când este temperat, echilibrul dintre tensiune și compresie face ca materialul să fie tare ca naiba. Sticla-ceramică se potrivește bine și cu acoperiri conductoare de electricitate, iar inginerii folosesc această caracteristică la ferestrele navelor spațiale pentru a le feri de condens și gheață.
Chimia materialelor
Ferestrele navelor spațiale sunt o aplicație excelentă a științei materialelor. O modalitate de a realiza ferestre demne de spațiul cosmic este siliciul topit, care este dioxid de siliciu topit 100% pur. Un alt material nebunesc pentru ferestre este oxinitrida de aluminiu, care este de fapt o ceramică transparentă pe care o folosim pentru a face lucrurile antiglonț. Într-un videoclip realizat de un producător de produse antiglonț din oxinitrură de aluminiu (a se vedea mai jos), 1,6 inci de AlON au fost suficienți pentru a opri complet un glonț perforant de calibrul 50. Atât AlON cât și siliciul topit încep ca o pulbere fină numită frită, care este tasată într-o matriță și apoi pur și simplu coaptă la cele mai nepământești temperaturi într-o singură bucată de material transparent și foarte dur.
Dacă nu lucrați cu substanțe 100% pure, ceea ce în multe cazuri nu este posibil, ideea de dopaj este esențială în toate acestea. Doparea înseamnă să adaugi un vârf de cuțit de ceva special la o rețetă altfel banală, pentru a profita de beneficiile lucrului special fără a te confrunta cu defectele pe care le are atunci când este pur. În multe cazuri, ceea ce rezultă în urma dopajului sfârșește prin a semăna foarte puțin cu oricare dintre materialele sale de origine.
Metalurgia se bazează foarte mult pe dopaj, care în acest caz se numește aliere. Există câteva lucruri destul de fantastice pe care le putem face cu metalele. Aliajele de aluminiu-niobiu au temperaturi de topire suficient de ridicate pentru a rezista mediului termic din interiorul ajutajelor motorului Falcon 9. Dar acest lucru se datorează doar faptului că acestea folosesc, de asemenea, răcirea regenerativă: propulsorul parcurge cicluri prin camerele din pereții duzei, răcind clopotul și încălzind propulsorul. (Este o pompă de căldură.) Aliajele care implică aur și alamă sunt utile pentru că pur și simplu nu se corodează, indiferent de temperatură sau de condițiile chimice extreme. La fel ca aditivii anti-aglomerare din brânza parmezan, există chiar și aliaje metalice care implică siliciu doar pentru că siliciul face ca metalul topit să curgă mai ușor și, prin urmare, să fie mai potrivit pentru turnarea complexă.
Sudarea prin frecare-șocuri, care topește fizic cele două materiale care sunt sudate astfel încât acestea să devină o singură entitate structurală, rezolvă problema îmbinării pentru unele dintre piesele din aliaj de aluminiu ale SpaceX.
Creditul imaginii: Nature.
Vezi chimia materialelor noi foarte des în cercetarea în domeniul semiconductorilor, iar în ultima vreme controlul asupra dopantului a devenit suficient de fin pentru a introduce defecte punctuale de un singur atom într-o rețea de diamant. Această precizie de fabricație este, de asemenea, critică pentru așa-numitele aliaje cu „entropie ridicată”, care sunt amestecuri hibride de patru, cinci sau mai multe elemente diferite care pot produce câștiguri extraordinare în ceea ce privește duritatea, precum și pentru a face lucrurile fabricate din ele mai subțiri, mai ușoare și mai durabile. Un metalurgist de la MIT a realizat un aliaj cu conținut ridicat de entropie, asemănător oțelului, care este în același timp extrem de dur și foarte ductil, caracteristici pe care eu și toată lumea le credeam reciproc exclusive.
Desigur alegerea dopantului este importantă. Tantalumul și tungstenul sunt metale dure, dense și rezistente la radiații, care au fost amestecate în titan pentru a face „bolta de radiații” a lui Juno. Bolta protejează circuitele delicate din încărcătura științifică, sacrificându-se la fragilizare pentru ca electronica să poată trăi cât mai mult timp posibil.
Pericul de radiații poate fi atenuat prin ecranare – practic, punând atomi între încărcătura dvs. utilă și particulele încărcate de înaltă energie care pot răsturna biți, coroda metale și scurtcircuita conexiuni. Plumbul este alegerea evidentă pe Pământ, dar plumbul nu funcționează pentru zborurile spațiale, deoarece este prea moale pentru a rezista la vibrații și prea greu pentru a fi practic în orice caz. Acesta este motivul pentru care bolta de radiații a lui Juno este în mare parte din titan; este mai rezistent decât aluminiul și mai ușor decât oțelul.
De fapt, este o problemă majoră, încercând să ne dăm seama cum să menținem electronicele în funcțiune cât mai mult timp cât timp putem în timp ce se află în spațiu. Nu poți face o navă spațială fără un computer în ea. Și în timp ce continuăm să facem circuitele mai mici și să le reducem necesarul de energie, la un anumit punct există podele fizice de dimensiune și consum de energie. În apropierea acestor praguri, este extrem de ușor să perturbi un sistem. Deteriorarea prin radiații, diferențele termice, scurtcircuitarea electrică și vibrațiile fizice, toate acestea reprezintă un pericol pentru circuitele electronice. Spintronica ar putea contribui la progresul computerelor, oferind o lățime de bandă de calcul mult mai mare pentru a putea fi utilizată pentru a face tot ceea ce ar trebui să faci într-o călătorie interstelară. Ar putea, de asemenea, să limiteze drastic pericolele EM, care sunt atât de dăunătoare pentru electronice într-un câmp magnetic intens, precum cel din jurul lui Jupiter. Dar până când vom face circuite optice sau spintronice reale, va trebui să ne dăm seama cum să facem ca vechile și bunele electronice să se comporte în spațiu, iar acest lucru va implica, probabil, o veche și bună cușcă Faraday.
Compozite
Compozitele sunt greu de produs, deoarece necesită adesea instalații de producție extrem de specializate, autoclave uriașe și altele asemenea. Dar atunci când sunt bune, sunt foarte, foarte bune.
Azolația multistrat (MLI) este atât izolatoare din punct de vedere termic, cât și electric, iar NASA folosește acest material practic peste tot unde poate. MLI este ceea ce face ca navele spațiale să arate ca și cum ar fi acoperite cu folie de aur. Dar există și un tip de MLI pentru aplicațiile în care întregul ansamblu trebuie să fie împământat electric și care folosește o plasă metalică în loc de plasa textilă asemănătoare cu tulul dintre straturile de folie.
SpaceX folosește materiale compozite rigide în construcția vehiculelor sale, suprapunând fibre de carbon și alveole metalice pentru a produce o structură care este în același timp foarte ușoară și foarte rezistentă. Spumele și aerogelurile pot face, de asemenea, straturi ușoare, rigide și impermeabile din punct de vedere termic.
După recuperare, iată cum arăta carapacea de la Falcon 9. Observați învelișul din fibră de carbon care acoperă fagurele de miere metalic.
Compozitele excelează în fața pericolelor fizice și a factorilor de stres, dar materialele rigide nu sunt singura soluție. Modulul gonflabil BEAM pentru habitate spațiale, pe care eu îl numesc cu afecțiune un castel gonflabil într-o cutie de conserve, este realizat din materiale compozite flexibile, inclusiv o țesătură de sticlă unică numită beta cloth. NASA și alții au folosit țesătura beta și lucruri asemănătoare încă de la sfârșitul anilor ’90, și pe bună dreptate: Chestia asta este pur și simplu imposibil de manipulat. Fabricată din fibre de sticlă acoperite cu PTFE într-o țesătură de tip coș, este copilul iubit al fibrei de sticlă și al teflonului. Este practic imposibil de tăiat sau chiar de zgâriat cu cele mai dure și ascuțite lame. Deoarece este flexibil, este rezistent la impact. Este impenetrabilă la coroziune, chiar și la atacul oxigenului atmosferic liber. Oamenii de știință au împușcat-o cu lasere și asta a fost ceea ce a făcut ca, în cele din urmă, să înceapă să se degradeze.
Similară cu pânza beta, există și pânza metalică flexibilă Chromel-R, pe care o folosim în patch-uri rezistente la abraziune pe corpurile navelor spațiale și pe costumele spațiale. Chromel-R este ca și covorașele de sticlă țesute ale țesăturii beta, dar făcute din fire metalice dure, acoperite. Mai mult, oamenii de știință au descoperit că „scutul Whipple umplut”, care este o confecție stratificată din pânză din fibre ceramice și Kevlar, a funcționat mai bine decât placarea cu aluminiu pentru a opri peletele ceramice de hiperviteză care simulează resturile spațiale – prin topirea sau dezintegrarea peletelor (PDF).
Singurile spațiale sunt, de fapt, aplicația perfectă pentru materialele compozite flexibile. Nici un singur material nu este rezistent la orice. Dar dacă asamblați în sandwich straturi subțiri din mai multe materiale care sunt fiecare rezistente la majoritatea lucrurilor, obțineți un costum exotic rezistent la orice, care se poate totuși îndoi și flexa odată cu purtătorul. Adăugați un strat de Darlexx sau similar, la fel ca în cazul costumelor spațiale de ultimă generație de la SpaceX, completați cu un strat de pânză flexiramică și veți obține un costum de presiune rezistent la foc. Puneți un strat de amortizare cu fluid newtonian și câteva plăci de traumă din aliaj ceramic și acum este o armură de corp ignifugată. Tot ce îți mai trebuie este un HUD în cască și poate niște spumă cu memorie de înaltă densitate în pernele scaunelor. Astea sunt lucruri pe care le-am putea face doar cu produsele disponibile astăzi.
Vezi seria noastră ExtremeTech Explains pentru o acoperire mai aprofundată a celor mai fierbinți subiecte tehnologice actuale.
Creditul imaginii de sus: SpaceX Dragon V2 interior