ابتکاری از دانشمندان برای حفاظت از فضا پیما با الگوی تخم مرغی

به گزارش مجله خبری نگار،در حال حاضر نزدیک به یک میلیون قطعه زباله فضایی با ابعادی بزرگ‌تر از یک سانتی‌متر در مدار نزدیک زمین شناور هستند. این بقایا شامل قطعات جدا شده از ماهواره‌ها، راکت‌ها و ابزار‌های فرسوده پیشین هستند که با سرعت بسیار سرسام‌آوری در فضا حرکت می‌کنند. با تداوم ارسال فضاپیما‌ها و تلسکوپ‌ها برای کاوش در اعماق کیهان، حضور متراکم این زباله‌ها خطری جدی و دائمی به شمار می‌آید، زیرا حتی کوچک‌ترین برخورد در چنین سرعت‌های بالایی می‌تواند خسارات جبران‌ناپذیر و فاجعه‌باری به بدنه ابزار‌های فضایی وارد کند.

ضرورت تحقیق و سرمایه‌گذاری علمی در این حوزه، از نیاز حیاتی به توسعه سپر‌های محافظتی کارآمد سرچشمه می‌گیرد. تجهیزات فضایی برای خروج از جو زمین نیازمند سازه‌هایی بسیار سبک‌وزن هستند تا مصرف سوخت بهینه‌ای داشته باشند، اما هم‌زمان باید در برابر ضربات شدید و سریع نیز بالاترین مقاومت مکانیکی ممکن را ارائه دهند. یافتن موادی که بتوانند تعادلی بی‌نقص میان سبکی وزن و توانایی خنثی‌سازی انرژی برخورد ایجاد کنند، چالشی بسیار بزرگ است که پژوهشگران را به سوی بررسی ساختار‌های طبیعی و مهندسی نوین سوق داده است.

در همین راستا، گروهی از پژوهشگران به سرپرستی یوکسین وانگ از دانشگاه فناوری دالیان در کشور چین، دست به ابتکاری نوین زده و ظرفیت ساختاری الهام‌گرفته از پوست تخم‌مرغ را به عنوان گزینه‌ای بالقوه برای محافظت از بدنه فضاپیما‌ها بررسی کرده‌اند. این دانشمندان با تکیه بر این ایده که ساختار‌های زیستی موجود در طبیعت طی فرآیند انطباق بلندمدت خود توانمندی شگفت‌انگیزی در جذب انرژی پیدا کرده‌اند، به مطالعه چگونگی بازآفرینی این ویژگی طبیعی پرداختند تا بتوانند راهکاری نوآورانه و مطمئن برای مهار ضربات پرسرعت فضایی ارائه دهند.

روش اجرای این پژوهش بر پایه مدل‌سازی، ساخت چند سازه با چاپ سه‌بعدی و شبیه‌سازی‌های دقیق آزمایشگاهی استوار بود. پژوهشگران پوسته‌هایی آلومینیومی به شکل تخم‌مرغ طراحی کردند که درون آنها با آب پر شده بود. سپس این تخم‌مرغ‌ها در یک آرایش و چیدمان منظم بین دو صفحه ضربه‌گیر آلومینیومی قرار گرفتند، به گونه‌ای که بخش پهن‌تر آنها رو به پایین مستقر شد. محققان عملکرد این ساختار را در سناریو‌های مختلف مقایسه کردند؛ این آزمون‌ها شامل بررسی عملکرد صفحات آلومینیومی ساده و تنها، کره‌های آلومینیومی پر از آب قرار گرفته بین دو صفحه، و در نهایت همین ساختار لایه‌ای متشکل از پوسته‌های تخم‌مرغی پر از آب بود تا واکنش هر کدام در برابر برخورد گلوله‌های پرسرعت ارزیابی شود.

یافته‌های حاصل از این بررسی‌ها نشان دادند که ساختار لایه‌ای متشکل از پوسته‌های تخم‌مرغی آلومینیومی پر از آب، برترین عملکرد حفاظتی را در مقایسه با سایر نمونه‌ها به نمایش می‌گذارد. این سازه توانست نیرو‌های حاصل از بار‌های سنگین را به خوبی تحمل کند و سرعت پرتابه ورودی ناشی از برخورد را تا نزدیک به ۶۵ درصد کاهش دهد. این در حالی بود که صفحات آلومینیومی معمولی و بدون این ساختار درونی، تنها توانسته بودند سرعت پرتابه را حدود ۵۱ درصد کم کنند.

بر اساس تحلیل نتایج، در میان حالت‌های گوناگون جهت‌گیری این پوسته‌ها، الگو‌هایی از ابرسازه‌ها که در آنها تخم‌مرغ‌ها به صورت ایستاده قرار گرفته و انتهای باریک‌تر آنها با صفحه بالایی در تماس بود، بیشترین کارایی و اثرگذاری را به ثبت رساندند. در این سازه، انرژی حاصل از ضربه به جای متمرکز شدن در یک نقطه، به تدریج درون ماده پخش می‌شود و پوسته‌ها به نوبت و پشت سر هم فرو می‌ریزند و تغییر شکل می‌دهند تا نیروی تخریبی خنثی شود.

شاید در نگاه نخست، بهره‌گیری از الگوی شکننده پوست تخم‌مرغ برای تقویت استحکام غیرمنطقی به نظر برسد، اما سازوکار دفاعی این آرایش شبکه‌ای کاملاً متفاوت است؛ یک تخم‌مرغ منفرد تحت نیروی متمرکز محلی به سادگی می‌شکند، اما تغییر شکل هماهنگ و زنجیره‌ای این واحد‌های تخم‌مرغی باعث می‌شود بار ناشی از ضربه به یک اتلاف انرژی گسترده در سراسر سازه تبدیل شود. علاوه بر این، وجود آب در درون این پوسته‌ها نقش حیاتی دارد؛ هنگام برخورد پرسرعت، آب داخل پوسته دچار تلاطم شدید شده و از انتشار امواج ضربه‌ای جلوگیری می‌کند. این برهم‌کنش پویا میان آب و پوسته آلومینیومی، انرژی ویرانگر ضربه را به شکل چشمگیری جذب و پراکنده می‌سازد.

البته محققان تاکید دارند که پیش از به‌کارگیری عملیاتی این ماده به عنوان سپری سبک‌وزن در بدنه فضاپیماها، هندسه سازه و نوع پرکننده آن باید باز هم بهینه‌سازی شده و تحت آزمایش‌های تکمیلی ضربه قرار گیرد. در حال حاضر، این تیم پژوهشی مشغول بهبود و تنظیم دقیق ضخامت پوسته‌های آلومینیومی، نسبت ابعاد و نحوه چیدمان آنها هستند تا میزان جذب انرژی محافظتی را باز هم افزایش دهند. این دستاورد به روشنی ثابت کرد که ابرسازه‌های سبک و زیست‌الهام، مسیری بسیار نویدبخش برای ایجاد محافظت مطمئن در برابر برخورد‌های فوق‌سریع به شمار می‌روند و می‌توانند توجه جامعه مهندسی را به سازه‌های الهام‌گرفته از طبیعت جلب کنند.

این یافته‌های ارزشمند علمی و پژوهشی در نشریه معتبر Journal of Applied Physics منتشر شده است؛ مجله‌ای تخصصی که تحت نظارت انتشارات انستیتو فیزیک آمریکا (AIP Publishing) فعالیت می‌کند.