Μια νέα ασπίδα στη φωτιά: Μονωτικό από νανοσωλήνες άνθρακα αντέχει πάνω από 2600 °C
Η μάχη με την ακραία θερμότητα είναι ένα από τα πιο απαιτητικά στοιχήματα της σύγχρονης τεχνολογίας. Διαστημικά σκάφη που εισέρχονται στην ατμόσφαιρα, υπερηχητικά αεροσκάφη που σκίζουν τους ουρανούς ή πυρηνικοί αντιδραστήρες που λειτουργούν στο μέγιστο των δυνατοτήτων τους, καλούνται να αντιμετωπίσουν θερμοκρασίες που αγγίζουν χιλιάδες βαθμούς. Σε αυτά τα επίπεδα, ακόμη και τα πιο ανθεκτικά υλικά δοκιμάζονται, με τις περισσότερες κλασικές μορφές μόνωσης να καταρρέουν πάνω από τους 1.500 °C.
Μέχρι σήμερα, οι μηχανικοί και οι επιστήμονες προσπαθούσαν να βρουν λύσεις που θα μπορούσαν να συγκρατήσουν αυτήν την ανεξέλεγκτη ενέργεια. Ορισμένα υλικά αντέχουν, αλλά το τίμημα είναι υψηλή θερμική αγωγιμότητα, η οποία καθιστά τη μόνωση αναποτελεσματική. Σε τόσο ακραίες συνθήκες, το μεγαλύτερο εμπόδιο είναι η ακτινοβολία, δηλαδή η μεταφορά θερμότητας μέσω φωτονίων. Αυτή η μορφή θερμότητας είναι και η πιο δύσκολη να αναχαιτιστεί. Εδώ και χρόνια, ερευνητικές ομάδες σε όλο τον κόσμο κυνηγούν το ιδανικό υλικό: ελαφρύ, σταθερό και με την ικανότητα να ανακόπτει τη μετάδοση θερμότητας μέσω στερεών, αερίων αλλά και ακτινοβολίας.
Μια ομάδα επιστημόνων από το University of Tsinghua στην Κίνα υποστηρίζει ότι βρίσκεται πλέον πολύ κοντά σε αυτήν την ανακάλυψη. Δημιούργησαν ένα καινοτόμο μονωτικό από μεμβράνες υπερευθυγραμμισμένων νανοσωλήνων άνθρακα. Η διαδικασία παραγωγής του είναι πρωτότυπη: οι νανοσωλήνες καλλιεργούνται κάθετα σε μορφή πίνακα και στη συνέχεια τραβιούνται σε λεπτές στρώσεις, σχεδόν σαν μεταξένιες κλωστές. Οι στρώσεις αυτές στοιβάζονται ή τυλίγονται για να σχηματίσουν μια πολυεπίπεδη, πορώδη και υπερελαφριά δομή, που αποτελεί πραγματική τομή στην επιστήμη των υλικών.
Οι έρευνες έδειξαν ότι το νέο αυτό υλικό μειώνει αποτελεσματικά όλες τις μορφές μεταφοράς θερμότητας. Όταν πρόκειται για αγωγή μέσα από στερεά, η θερμότητα πρέπει να διασχίσει τις στρώσεις αντί να κινηθεί κατά μήκος των σωλήνων. Δεδομένου ότι οι νανοσωλήνες έχουν διάμετρο μόλις 10–20 νανόμετρα και διατηρούν μεγάλα κενά μεταξύ τους, δεν υπάρχει αρκετό υλικό για να μεταδοθούν οι δονήσεις (τα λεγόμενα φωτόνια).
Στην περίπτωση της θερμικής αγωγής μέσω αερίων, οι πόροι είναι τόσο μικροσκοπικοί που τα μόρια αερίου δυσκολεύονται να κινηθούν ή να συγκρουστούν στο εσωτερικό τους. Αυτό το φαινόμενο, γνωστό ως Knudsen effect, περιορίζει την απώλεια ενέργειας και την αποτελεσματική μεταφορά θερμότητας. Όσον αφορά την ακτινοβολία, οι νανοσωλήνες άνθρακα έχουν μοναδική ικανότητα να απορροφούν και να διαχέουν το υπέρυθρο φως. Όταν οι στρώσεις τοποθετούνται υπό διαφορετικές γωνίες, η παγίδευση της ακτινοβολίας γίνεται ακόμη πιο αποδοτική.
Τα αριθμητικά δεδομένα είναι εντυπωσιακά. Η ομάδα κατέγραψε θερμική αγωγιμότητα μόλις 0.004 W/mK σε θερμοκρασία δωματίου και 0.03 W/mK στους 2600 °C. Οι τιμές αυτές υπερβαίνουν κατά πολύ την απόδοση των παραδοσιακών υλικών που χρησιμοποιούνται σήμερα για μόνωση υψηλών θερμοκρασιών.
Πέρα από την εξαιρετική του απόδοση, το υλικό αποδεικνύεται ιδιαίτερα ανθεκτικό. Μετά από 310 κύκλους εναλλαγής από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος μέχρι τους 2.000 °C, παρουσίασε μόλις 5% υποβάθμιση. Η σταθερότητα αυτή, σε συνδυασμό με το μικρό του βάρος και την ευελιξία του, καθιστούν το υλικό ιδανικό για εφαρμογές που απαιτούν προσαρμοστικότητα σε ανομοιόμορφες ή καμπύλες επιφάνειες. Επιπλέον, οι ερευνητές σημειώνουν ότι η παραγωγή σε μεγάλη κλίμακα είναι εφικτή, με φύλλα πλάτους έως 550 χιλιοστών και μήκους που μπορεί να φτάνει εκατοντάδες μέτρα.
Οι πιθανές εφαρμογές ανοίγουν νέους ορίζοντες. Στον τομέα της αεροδιαστημικής, το υλικό θα μπορούσε να αξιοποιηθεί σε εξαρτήματα διαστημικών σκαφών, υπερηχητικών αεροσκαφών και κινητήρων τζετ, όπου η αντοχή στη θερμότητα είναι ζωτικής σημασίας. Στον ενεργειακό τομέα, η συμβολή του θα μπορούσε να αποδειχθεί καθοριστική για τη λειτουργία αντιδραστήρων σύντηξης και πυρηνικών σταθμών παραγωγής ενέργειας. Παράλληλα, θα είχε εφαρμογή και σε βιομηχανικά περιβάλλοντα με ακραίες θερμοκρασίες, όπως καμίνια και εγκαταστάσεις μεταλλουργίας.
[via]
