Αυτό το επαναστατικό υλικό θα προστατεύει τους δορυφόρους από τα διαστημικά σκουπίδια

Η αυξανόμενη ποσότητα διαστημικών σκουπιδιών που περιφέρονται με ταχύτητες μεγαλύτερες από αυτήν μιας σφαίρας γύρω από τη Γη θέτει μια ολοένα και σοβαρότερη απειλή για τους δορυφόρους σε χαμηλή τροχιά (LEO). Μόνο την περίοδο 2019–2023, οι δορυφόροι Starlink της SpaceX αναγκάστηκαν να πραγματοποιήσουν πάνω από 50.000 ελιγμούς αποφυγής σύγκρουσης, σε μια ένδειξη του μεγέθους του προβλήματος.

Απέναντι σε αυτή την πρόκληση, μια ομάδα επιστημόνων υλικών από το Πανεπιστήμιο Texas A&M αναπτύσσει ένα νέο, προηγμένο πολυμερές με εξαιρετικές ιδιότητες αυτοΐασης, ανοίγοντας τον δρόμο για πιο ασφαλείς και ανθεκτικές κατασκευές στο διάστημα.

Το «έξυπνο» πολυμερές: DAP

Το υλικό ονομάζεται Diels-Alder Polymer (DAP), από την ομώνυμη χημική αντίδραση Diels-Alder που αξιοποιεί. Χάρη στα δυναμικά του δίκτυα ομοιοπολικών δεσμών, οι οποίοι μπορούν να σπάνε και να επανασυνδέονται, το πολυμερές παρουσιάζει μια αξιοσημείωτη ανθεκτικότητα σε συνθήκες πρόσκρουσης, όπως αυτές που προκαλούν τα διαστημικά θραύσματα.

Η καινοτομία του συγκεκριμένου πολυμερούς έγκειται στον μοναδικό συνδυασμό της χημικής του δομής, της μοριακής του τοπολογίας και της ικανότητας του να «θεραπεύεται» σχεδόν άμεσα, εξηγούν οι ερευνητές. Η βάση του DAP αποτελείται από μακριές αλυσίδες πολυμερών που περιλαμβάνουν διπλούς δεσμούς άνθρακα-άνθρακα. Αυτοί οι δεσμοί είναι ευάλωτοι σε υψηλές θερμοκρασίες ή ισχυρές δυνάμεις, ωστόσο επανασχηματίζονται ταχύτατα με την ψύξη, έστω και με ελαφρώς τροποποιημένη διάταξη.

Από το εργαστήριο... στο Διάστημα;

Οι μέχρι τώρα δοκιμές έχουν πραγματοποιηθεί αποκλειστικά σε εργαστηριακό περιβάλλον και σε νανοκλίμακα. Παρόλο που τα πρώτα αποτελέσματα είναι πολλά υποσχόμενα, απαιτείται περισσότερη έρευνα προτού το DAP μπορέσει να ενσωματωθεί σε πραγματικές διαστημικές εφαρμογές.

Η βασική ιδέα είναι ότι σε περίπτωση πρόσκρουσης, το DAP έχει την ικανότητα να εκτείνεται αντί να θρυμματίζεται ή να ραγίζει. Ουσιαστικά, αφήνει το διαστημικό θραύσμα να το διαπεράσει χωρίς να προκαλεί σημαντική δομική βλάβη, ενώ στη συνέχεια, το πολυμερές επουλώνεται αυτόματα, επιστρέφοντας στην αρχική του μορφή.

Πειράματα με «σφαίρες» laser

Για να δοκιμάσουν τις αντοχές του DAP, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν μια πρωτοποριακή μέθοδο που ονομάζεται LIPIT (Laser-Induced Projectile Impact Testing). Σε αυτή τη δοκιμή, ένας μικροσκοπικός πυρήνας διοξειδίου του πυριτίου, διαμέτρου μόλις 3,7 μικρομέτρων, εκτοξεύεται με laser κατά της επιφάνειας του πολυμερούς.

Η σύγκρουση καταγράφηκε με υπερταχεία κάμερα, με χρόνους έκθεσης μόλις 3 νανοδευτερόλεπτα, σε διαστήματα 50 νανοδευτερολέπτων. Αρχικά, οι ερευνητές πίστεψαν ότι η σφαίρα δεν είχε πετύχει τον στόχο, καθώς δεν εντοπίστηκε εμφανές ίχνος διάτρησης. Στην πραγματικότητα, ανακάλυψαν ότι το υλικό είχε ήδη «αυτοθεραπευθεί».

Η πρόσκρουση προκάλεσε τοπική τήξη του πολυμερούς, επιτρέποντας στο βλήμα να περάσει. Αμέσως μετά, το υλικό ψύχθηκε και οι ομοιοπολικοί δεσμοί του αναδομήθηκαν, επιστρέφοντας σε στερεή μορφή με μόλις ένα ελάχιστο ίχνος από το συμβάν.

Όπως εξηγούν οι επιστήμονες, το DAP απορροφά μεγάλο μέρος της κινητικής ενέργειας του αντικειμένου, μαλακώνει, υγροποιείται και στη συνέχεια αυτο-επαναδομείται. Αυτή η συμπεριφορά δεν έχει προηγούμενο στον τομέα των προηγμένων υλικών.

Πιθανές χρήσεις στη Γη και όχι μόνο

Εκτός από τις διαστημικές εφαρμογές, οι επιστήμονες εξετάζουν και επίγειες χρήσεις για το υλικό. Ο καθηγητής Thomas, μέλος της ερευνητικής ομάδας, σημειώνει ότι «τα DAP πολυμερή είναι εξαιρετικά υλικά». Σε χαμηλές θερμοκρασίες παραμένουν άκαμπτα και ανθεκτικά. Σε υψηλότερες, αποκτούν ελαστικότητα. Και σε ακόμη υψηλότερες, μετατρέπονται σε εύπλαστο υγρό. Αυτή η μεταβλητότητα τα καθιστά ιδανικά για προστατευτικές εφαρμογές, όπως αλεξίσφαιρα γιλέκα.

Αν και οι πρώτες ενδείξεις είναι εντυπωσιακές, οι επιστήμονες είναι επιφυλακτικοί. Οι δοκιμές έγιναν σε μικροσκοπική κλίμακα, και είναι άγνωστο αν το υλικό θα διατηρήσει τις ίδιες ιδιότητες σε μακροσκοπικές ή πραγματικές συνθήκες στο Διάστημα. Η έρευνα συνεχίζεται, με επόμενο βήμα την αξιολόγηση σε μεγαλύτερη κλίμακα και πιο ρεαλιστικά περιβάλλοντα.

Το μέλλον της διαστημικής θωράκισης

Καθώς οι δορυφορικές αποστολές αυξάνονται εκθετικά και οι τροχιές γεμίζουν με επικίνδυνα συντρίμμια, η ανάγκη για ανθεκτικά, έξυπνα υλικά που μπορούν να απορροφούν και να επιδιορθώνονται αυτόματα γίνεται κρίσιμη. Το DAP αποτελεί μια από τις πιο υποσχόμενες λύσεις προς αυτή την κατεύθυνση.

Αν αποδειχθεί αποτελεσματικό και σε μεγαλύτερη κλίμακα, ενδέχεται να αναβαθμίσει ριζικά την ασφάλεια των διαστημικών αποστολών, περιορίζοντας το κόστος από βλάβες και επιμηκύνοντας τη διάρκεια ζωής των δορυφόρων. Όπως όλα δείχνουν, το επόμενο βήμα για τη διαστημική τεχνολογία μπορεί να κρύβεται όχι σε νέους κινητήρες ή πιο γρήγορα chips, αλλά σε ένα μικρό, ευφυές μόριο που επουλώνει τον εαυτό του.

[via]