Μια ερευνητική ομάδα υλικών με επικεφαλής τον επιστήμονα Ralf Busch από το Πανεπιστήμιο του Ζάαρλαντ (Saarland University) ετοιμάζεται για την πρώτη της αποστολή έρευνας στο διάστημα. Σύμφωνα με τον σχεδιασμό, από τις 31 Αυγούστου και για μία εβδομάδα οι ερευνητές θα μελετούν από απόσταση κράματα «μεταλλικού γυαλιού» μέσα από πειράματα που θα διεξαχθούν στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό (ISS). Σε συνεργασία με τον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Διαστήματος (ESA) και το Γερμανικό Κέντρο Αεροδιαστημικής (DLR), η ομάδα θα εξετάσει τις ιδιότητες αυτών των κραμάτων χρησιμοποιώντας θερμά, αιωρούμενα σταγονίδια λιωμένου μετάλλου.
- Τα πειράματα προγραμματίζονται από τις 31 Αυγούστου έως τις 4 Σεπτεμβρίου στην ενότητα Columbus του ISS.
- Θα μελετηθούν κράματα νικελίου-νιοβίου και νικελίου-νιοβίου-θείου σε αιωρούμενα σταγονίδια που θερμαίνονται έως και τους 1.700°C.
- Ο έλεγχος θα γίνεται εξ αποστάσεως από το κέντρο ελέγχου του DLR στην Κολωνία.
Στόχος είναι να συγκεντρωθούν νέα δεδομένα υψηλής ακρίβειας που θα βοηθήσουν στη βελτίωση του υλικού. Μια επόμενη σειρά πειραμάτων στον ISS με άλλα κράματα βρίσκεται ήδη υπό προετοιμασία.
Γιατί ο Διεθνής Διαστημικός Σταθμός είναι το ιδανικό εργαστήριο
Αυτό που καθιστά τον ISS πολύτιμο για τους ερευνητές του Ζάαρμπρικεν είναι η φαινομενική έλλειψη βαρύτητας. Σε υψόμετρο περίπου 400 χιλιομέτρων, η έλξη της Γης δεν είναι στην πραγματικότητα πολύ μικρότερη από ό,τι στην επιφάνεια· επειδή όμως ο σταθμός κινείται με πολύ μεγάλη ταχύτητα, δεν πέφτει πίσω στη Γη αλλά παραμένει σε συνεχή τροχιά ελεύθερης πτώσης γύρω από τον πλανήτη. Ως αποτέλεσμα, όλα όσα βρίσκονται στο εσωτερικό του φαίνονται να αιωρούνται.
Αυτή ακριβώς η συνθήκη είναι που χρειάζεται η ομάδα του Busch: σταγονίδια του νέου κράματος που μπορούν να παραμείνουν σταθερά και ακίνητα κατά τη διάρκεια της μέτρησης.
Τι είναι το «μεταλλικό γυαλί» και γιατί δεν είναι εύθραυστο
Ο Busch θεωρείται ένας από τους διεθνείς πρωτοπόρους στον τομέα του μεταλλικού γυαλιού. Πρόκειται για μέταλλα που στερεοποιούνται όπως το γυαλί. Η λέξη «γυαλί» δεν σημαίνει ότι το υλικό είναι εύθραυστο· αντιθέτως, αυτά τα κράματα είναι πιο ανθεκτικά από τον χάλυβα.
«Είναι επίσης ελαστικά και σε υψηλές θερμοκρασίες μπορούν να διαμορφωθούν όπως τα πλαστικά, δηλαδή να επεξεργαστούν με τεχνικές όπως η χύτευση με έγχυση ή η μεταλλική τρισδιάστατη εκτύπωση», λέει ο Busch.
Έτσι, τα μεταλλικά γυαλιά μπορούν να πάρουν σύνθετες γεωμετρίες σχεδόν κάθε είδους. Η ερευνητική ομάδα στο Ζάαρλαντ κατέχει ήδη αρκετές πατέντες για νέα κράματα υπερυψηλής αντοχής. Οι εφαρμογές αφορούν κινητήρες και μηχανήματα: εξαρτήματα που κάνουν τους ηλεκτροκινητήρες πιο ενεργειακά αποδοτικούς, καθώς και βίδες και γεωμετρικά σύνθετα μέρη αρκετά ανθεκτικά για τις ακραίες συνθήκες των αεροδιαστημικών εφαρμογών.
Πώς τα μέταλλα «στερεοποιούνται σε γυαλί»
Η ονομασία οφείλεται στην εσωτερική δομή. «Τα συμβατικά μέταλλα έχουν κρυσταλλική δομή, με τα άτομά τους διατεταγμένα σε κανονικά πλέγματα», εξηγεί ο Busch. Στα μεταλλικά γυαλιά η ατομική δομή είναι άτακτη — άμορφη, όπως ακριβώς και του γυαλιού. Για να επιτευχθεί αυτό, οι ερευνητές αναπτύσσουν κράματα στα οποία ο σχηματισμός κρυστάλλων επιβραδύνεται σημαντικά, ώστε το λιωμένο μέταλλο να στερεοποιείται με τα άτομά του σε άτακτη κατάσταση.
«Χρειάζονται χρόνια για να αναπτυχθεί ένα τέτοιο κράμα. Τα σχεδιάζουμε σε έναν πολυδιάστατο χώρο συνθέσεων ώστε να κρυσταλλώνονται πιο αργά και να παρουσιάζουν τον σωστό συνδυασμό ιδιοτήτων», σημειώνει. Επί δεκαετίες, η έρευνά του περιλαμβάνει συνεργασίες με φορείς όπως η NASA, το Jet Propulsion Laboratory και το DLR.
Κράματα νικελίου με προορισμό τον ISS
Τα πειράματα θα διεξαχθούν από τις 31 Αυγούστου έως τις 4 Σεπτεμβρίου και θα επικεντρωθούν σε κράματα νικελίου-νιοβίου και νικελίου-νιοβίου-θείου. Το κράμα νικελίου-νιοβίου αναπτύχθηκε για πρώτη φορά στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης (MIT) το 1967, ενώ το κράμα νικελίου-νιοβίου-θείου προέρχεται από το εργαστήριο του Busch στο Ζάαρμπρικεν.
Τα αιωρούμενα σταγονίδια θα θερμανθούν έως και τους 1.700°C για να μελετηθούν ιδιότητες όπως η επιφανειακή τάση, το ιξώδες, η θερμική διαστολή, η υπερψύξη, η συμπεριφορά ταλάντωσης και η θερμοχωρητικότητα. «Το κράμα είναι εξαιρετικά αντιδραστικό, οπότε στον ISS δεν χρειαζόμαστε χωνευτήρι για να λιώσουμε τα σφαιρίδια», εξηγεί ο Busch.
Τα σφαιρίδια μεταλλικού γυαλιού κατασκευάστηκαν ειδικά στο Ζάαρμπρικεν από τον Lucas Ruschel και έχουν ήδη μεταφερθεί στον ISS, έχοντας πιστοποιηθεί μέσα από δοκιμές στη Γη ότι δεν ενέχουν κίνδυνο. Τα πειράματα θα πραγματοποιηθούν στην ενότητα Columbus της ESA, με τον Ηλεκτρομαγνητικό Αιωρητή (Electromagnetic Levitator, EML) που εγκαταστάθηκε το 2014 από τον Γερμανό αστροναύτη της ESA Alexander Gerst.
Ο διδακτορικός φοιτητής Lucas Eisenhut διαθέτει μία ολόκληρη εβδομάδα χρόνου μετρήσεων στον ISS και θα ελέγχει τα πειράματα από το κέντρο ελέγχου του DLR στην Κολωνία, μαζί με τον Dr. Fan Yang, ερευνητή στην ομάδα του Busch.
Πιστεύετε ότι υλικά όπως το μεταλλικό γυαλί μπορούν να αλλάξουν τον τρόπο που κατασκευάζουμε κινητήρες και αεροδιαστημικά εξαρτήματα; Πείτε μας τη γνώμη σας στα σχόλια.
