Λάθος υλικά στα διαστημόπλοια; Η έρευνα που αλλάζει τα δεδομένα στην αεροδιαστημική

Μια θεμελιώδης αρχή της επιστήμης των υλικών, που καθοδηγούσε τη βιομηχανία για πάνω από 70 χρόνια, φαίνεται να καταρρέει όταν οι ταχύτητες ξεπεράσουν το φράγμα του ήχου. Μια νέα έρευνα από το Πανεπιστήμιο Cornell έρχεται να ανατρέψει όσα γνωρίζαμε για την αντοχή των μετάλλων, αποδεικνύοντας πως ό,τι είναι ισχυρό στη Γη, μπορεί να αποδειχθεί μοιραία εύθραυστο στο Διάστημα.

Το τέλος του δόγματος Hall-Petch

Επί επτά δεκαετίες, μεταλλουργοί και μηχανικοί ακολουθούσαν πιστά τον νόμο Hall-Petch. Η εξίσωση αυτή, διατυπωμένη τη δεκαετία του 1950, υπαγόρευε έναν απλό κανόνα: όσο μικρότεροι είναι οι κρύσταλλοι (οι κόκκοι) που απαρτίζουν ένα μέταλλο, τόσο πιο σκληρό και ανθεκτικό είναι αυτό.

Τα όρια μεταξύ των μικροσκοπικών κόκκων λειτουργούν ως φράγματα, εμποδίζοντας τις ατέλειες του υλικού (γνωστές ως διαταραχές) να εξαπλωθούν και να προκαλέσουν παραμόρφωση. Βασιζόμενη σε αυτή τη γνώση, η αεροδιαστημική βιομηχανία επένδυσε δισεκατομμύρια στην ανάπτυξη νανο-κρυσταλλικών μετάλλων για την κατασκευή ανθεκτικών κελυφών και θωρακίσεων.

Ωστόσο, η ομάδα του καθηγητή Mostafa Hassani από το Cornell ανακάλυψε ότι αυτός ο κανόνας έχει ημερομηνία λήξης. Και αυτή η λήξη έρχεται μόλις το υλικό χτυπηθεί με υπερηχητική ταχύτητα.

Το πείραμα που άλλαξε τα δεδομένα

Για να δοκιμάσουν τα όρια του νόμου, οι ερευνητές δεν αρκέστηκαν στις συμβατικές μεθόδους πίεσης. Χρησιμοποίησαν μια προηγμένη τεχνική «μικρο-βλητικής» με λέιζερ, εκτοξεύοντας μικροσκοπικά σωματίδια πάνω σε δείγματα μετάλλων (συγκεκριμένα χαλκού) με ταχύτητες που ξεπερνούσαν την ταχύτητα του ήχου — φτάνοντας σε συνθήκες που προσομοιάζουν την πρόσκρουση μικρο-μετεωριτών στο Διάστημα.

Τα αποτελέσματα ήταν απρόσμενα. Σε αυτές τις ακραίες ταχύτητες, ο νόμος Hall-Petch αντιστράφηκε. Τα μέταλλα με τους μικρότερους κόκκους, που θεωρητικά έπρεπε να είναι τα πιο ανθεκτικά, αποδείχθηκαν τα πιο ευάλωτα. Αντίθετα, τα δείγματα με μεγαλύτερους, πιο «χοντροκομμένους» κόκκους άντεξαν περισσότερο στο χτύπημα, εμφανίζοντας ρηχότερους κρατήρες πρόσκρουσης.

Η Φυσική πίσω από την ανατροπή

Τι συμβαίνει όμως σε ατομικό επίπεδο και το μέταλλο «μαλακώνει»; Η απάντηση βρίσκεται σε ένα φαινόμενο που οι φυσικοί ονομάζουν «αντίσταση φωνονίων».

Σε κανονικές συνθήκες, οι ατέλειες στη δομή του μετάλλου κινούνται αργά και μπλοκάρονται από τα όρια των κόκκων. Όταν όμως η κρούση είναι υπερηχητική, αυτές οι ατέλειες αναγκάζονται να κινηθούν τόσο γρήγορα που αρχίζουν να αλληλεπιδρούν με τις ταλαντώσεις των ίδιων των ατόμων (τα φωνόνια).

Στους μικρούς κόκκους, αυτή η αλληλεπίδραση καταρρέει, ακυρώνοντας τον μηχανισμό σκλήρυνσης. Το μέταλλο χάνει την ικανότητά του να "φρενάρει" την παραμόρφωση και συμπεριφέρεται πιο μαλακά, σαν να χάνει τη συνοχή του.

Από τα εργαστήρια στο Διάστημα

Η σημασία αυτής της ανακάλυψης ξεπερνά τα ακαδημαϊκά συγγράμματα. Αφορά άμεσα την ασφάλεια των διαστημικών αποστολών και την κατασκευή υποδομών νέας γενιάς.

Μέχρι σήμερα, οι μηχανικοί σχεδίαζαν θωρακίσεις για δορυφόρους και διαστημόπλοια χρησιμοποιώντας υλικά που είχαν τεσταριστεί σε στατικές ή χαμηλής ταχύτητας συνθήκες. Η έρευνα του Cornell υποδεικνύει ότι τα υλικά αυτά, αν και εξαιρετικά σκληρά στη Γη, μπορεί να είναι ακατάλληλα για να προστατεύσουν από διαστημικά συντρίμμια που ταξιδεύουν με χιλιάδες χιλιόμετρα την ώρα.

Επιπλέον, τα ευρήματα ανοίγουν νέους δρόμους για την τεχνική του "cold spray", μιας μεθόδου τρισδιάστατης εκτύπωσης μετάλλων που χρησιμοποιεί υπερηχητική εκτόξευση σκόνης. Κατανοώντας πλέον ότι η ταχύτητα αλλάζει τη δομή, οι βιομηχανίες μπορούν να βελτιστοποιήσουν τον τρόπο που «χτίζουν» μεταλλικά εξαρτήματα για αεροπλάνα και πυραύλους.