Pro vesmír i mimo něj. Státní výzkumné centrum "Keldysh Center" dokončuje výzkum samoopravných materiálů
Zaměstnanci Keldysh Center a jejich vývoj na MAKS-2021
Jednou z perspektivních oblastí v oblasti materiálové vědy je vytvoření tzv. samoopravné materiály. Jedná se o speciální kompozity schopné samostatně opravovat poškozená místa při zachování základních mechanických vlastností. Vývoj samoopravných kompozitů probíhá v zahraničí i u nás. Hlavní domácí projekty v tomto směru vznikají ve Státním vědeckém centru „Keldysh Center“ ze struktury „Roskosmos“.
Slibný směr
Keldyshovo centrum spolu s Ruskou nadací pro základní výzkum a řadou dalších vědeckých organizací se tématu samoléčebných materiálů v posledních letech věnuje. Hlavní myšlenky a koncepty již byly nalezeny, stejně jako studie konkrétních sloučenin a kompozitů na nich založených. Dosažené úspěchy byly opakovaně uváděny v recenzovaných časopisech. Kromě toho jsou na výstavách předváděny vzorky nových materiálů.
Aktuální verze slibného kompozitu byla předvedena na minulých výstavách MAKS-2021 a Army-2021. Už prošel laboratorními testy, při kterých potvrdil vypočítanou schopnost zotavit se z vpichů a řezných ran. U prototypů byla rychle a efektivně „utažena“ poškození až do velikosti několika milimetrů.
Výzkumné práce na slibném projektu budou podle vývojové organizace dokončeny letos v prosinci. Další plány zatím nebyly zveřejněny. Možná, že Keldysh Center a další podniky začnou studovat otázky zavedení nového kompozitu do praxe.
V současnosti předváděný samoopravný kompozit je vícevrstvý měkký materiál vhodný pro výrobu různých produktů. V první řadě mluvíme o nafukovacích prvcích pro různé účely. Mohou to být obytné prostory se vzduchovou atmosférou, nádrže na kapaliny atd.
Nový materiál
Nadějný kompozit je založen na látce borosiloxan a jeho sloučeninách. Sloučeniny použité v kompozitu mají vlastnosti nenewtonské kapaliny, díky čemuž jsou zajištěny potřebné funkce - schopnost odolávat statickému zatížení a zotavit se z poškození.
Vlastnosti borosiloxanu: a) - odskok díky pružnosti při rázovém zatížení; b, c) - tekutost působením gravitace; d, e) - protahování látky
Na základě borosiloxanu je možné vytvářet různé kompozity, které mají obecně podobnou architekturu. Je navržen třívrstvý systém. Vnější a vnitřní mohou být vyrobeny z různých materiálů, které poskytují potřebné mechanické vlastnosti. Zejména se může jednat o zesíťovaný borosiloxan - látku využívající vlákna toho či onoho typu. Testován byl také silikon a silikonem impregnované sklolaminát.
Mezi vnějšími vrstvami je umístěna relativně silná matricová vrstva z viskózního borosiloxanu v čisté formě nebo plněná vláknem. Je to on, kdo využívá všech vlastností nenewtonské tekutiny a je zodpovědný za tzv. přenos hmoty do oblasti poškození, což vede k „zahojení“ díry. V závislosti na složení kompozitu mohou mít podobné vlastnosti i další vrstvy. Všechny vrstvy mají zároveň své funkce, a to jak mechanické, tak poškození v procesu utahování.
Princip fungování samoopravného kompozitu je poměrně jednoduchý. Z takového materiálu je vyroben nafukovací nebo jiný výrobek určený pro práci s vnitřní atmosférou s určitým tlakem. Ten vytváří napětí, při kterém má vnitřní vrstva kompozitu vlastnosti elastické látky. Toto chování je zachováno i při nárazu nebo jiném zatížení.
Pokud dojde k poškození jedné nebo více vrstev, napětí se sníží, v důsledku čehož borosiloxan začne vykazovat vlastnosti viskózní kapaliny. Má tendenci zatékat do díry a v důsledku toho ji doslova uzavře. Díky tomu se zastaví vypouštění atmosféry z produktu a znovu se objeví zatížení, čímž se kompozit stává elastickým a odolným vůči nárazům.
Rychlost obnovy poškození závisí na architektuře kompozitu, na složení borosiloxanové matrice, na povaze otvoru atd. Drobné promáčkliny a průchozí poškození jsou obnoveny během několika sekund. Větší přestávky vyžadují až několik minut. Maximální možná velikost "zaceleného" poškození je dána tloušťkou vnitřní vrstvy a podle toho množstvím hmoty dostupné pro přenos. Zatímco však mluvíme pouze o milimetrech.
Pro vesmír i mimo něj
Keldysh Center je hlavním podnikem Roskosmos v řadě oblastí. Zejména zodpovídá za vývoj směru „Funkční materiály pro vesmírné technologie“. To naznačuje, že nové samoopravné materiály vznikají především pro raketový a vesmírný průmysl.
Schéma práce (vlevo) a průřez kompozitu (vpravo)
Navržené kompozity mají několik důležitých vlastností. Kromě toho, že jsou obnovitelné, jsou lehké a flexibilní. To vše umožňuje jejich použití jako konstrukčních materiálů pro některé výrobky a předměty, které poskytují určitou úroveň ochrany. Navíc je lze použít společně s jinými materiály jako dodatečnou ochranu proti mechanickému poškození.
Například samoopravný kompozit lze použít k ochraně kosmické lodi před úlomky nebo mikrometeority. Takový materiál pohltí nárazy malých předmětů a ztlumí jejich energii, čímž zabrání poškození hlavních součástí lodi. Kompozit navíc bude umět utěsnit otvory, což prodlouží životnost celého systému.
Také nové kompozity mohou najít uplatnění v příští generaci skafandrů. Zároveň je možné vytvářet skafandry jak pro práci na oběžné dráze, tak pro lunární program. V obou případech budou vlastnosti nových materiálů užitečné a zlepší výkon obleků.
V daleké budoucnosti mohou být samoopravitelné materiály použity při stavbě dlouhodobých struktur, jako jsou stanice na Měsíci. Kompozitní kopule požadovaných rozměrů bude lehčí než jakékoli jiné konstrukce, což zjednoduší její dodávku a instalaci. S pomocí borosiloxanu se navíc vyřeší problém drobných oprav a netěsností v důsledku „útoků“ mikrometeoritů.
Obnovitelné kompozity lze přirozeně použít nejen ve vesmíru, ale také na Zemi. Z nich můžete vyrábět kontejnery pro různé účely, je možné je použít při stavbě zařízení nebo konstrukcí atd. Všeobecně vše závisí na potřebě a účelnosti použití takových materiálů v konkrétních projektech.
Zkušenosti a praxe
Slibný projekt Keldysh Center a příbuzných organizací je však zatím pouze ve fázi výzkumných prací. Budou dokončeny na konci roku a poté budou jasné hlavní výsledky a reálné vyhlídky směřování. Poté bude možné studovat problematiku zavádění nových materiálů do reálných projektů.
Teoreticky lze samoopravné materiály použít v různých oblastech a mají velkou budoucnost. Jejich realizace však dosud nebyla možná kvůli nedostatku dobře propracovaných a „technicky vyzrálých“ kompozic a receptur. Řešení tohoto problému se blíží ke kýženému konci – a brzy bude nová technologie v rukou konstruktérů raketové a kosmické techniky.
- Ryabov Kirill
- SSC "Centrum Keldyshe"
informace