خرج ۶.۲۵ میلیون دلاری پنتاگون برای پیدا کردن مقاوم‌ترین مواد در برابر حرارت

به گزارش مجله خبری نگار،و به نقل از وب‌سایت رسمی دانشگاه ویرجینیا، «وزارت دفاع آمریکا» (DoD) می‌خواهد بداند که آیا مواد معدنی و سنگ‌های یافت شده در زمین و فضا، اسرار نسل بعدی مواد مقاوم در برابر دمای بالا را در خود جای داده‌اند یا خیر. وزارت دفاع آمریکا برای پی بردن به این موضوع، بودجه‌ای را به مبلغ ۶.۲۵ میلیون دلار در برنامه «ابتکار پژوهش دانشگاهی چندرشته‌ای» (MURI) به گروهی از پژوهشگران «دانشگاه ویرجینیا» (UVA) و «دانشگاه ایالتی آریزونا» (ASU) اعطا کرد. این گروه پژوهشی به سرپرستی «الیزابت اوپیلا» (Elizabeth Opila) استاد بخش علوم و مهندسی مواد دانشگاه ویرجینیا کار می‌کنند.

برنامه بسیار رقابتی MURI، بودجه پژوهش‌های علمی بنیادین را تأمین می‌کند که وزارت دفاع آمریکا امیدوار است به پیشرفت در زمینه‌های مورد علاقه از طریق بینش‌های جمعی پیرامون چندین رشته ختم شود.

اوپیلا گفت: به دلیل نیاز به تولید انرژی، فراصوت و کار‌های جدید در حال ظهور در این زمینه مانند تولید مواد افزودنی، اکنون زمان رونق مواد مقاوم در برابر دمای بالاست. پژوهشگران در حال کاوش در فضا‌های ترکیبی جدیدی هستند که در آن، عناصر گوناگون به روش‌های متفاوتی با یکدیگر ترکیب می‌شوند. علاوه بر این، ما به مواد الهام‌گرفته از زمین‌شناسی و علوم سیاره‌ای می‌پردازیم که بسیار سرگرم‌کننده هستند. مواد معدنی و سنگ‌ها در مقایسه با ترکیباتی که دانشمندان معمولا با آن‌ها کار می‌کنند، پیچیده هستند و به همین دلیل، این پروژه هیجان‌انگیز است.

اوپیلا ادامه داد: زمین‌شناسان روی چگونگی شکل‌گیری زمین و محل احتمالی یافتن این مواد متفاوت متمرکز شده‌اند. ما می‌خواهیم این دانش را بیاموزیم و به فضای کاربردی بیاوریم.

پژوهشگران با انتخاب کردن ویژگی‌های فیزیکی خاص، از طبیعت در به کار بردن ترکیبات معدنی، دما، فشار و تغییرات سریع این نیرو‌ها برای ساخت مواد مصنوعی خود تقلید خواهند کرد. هدف این است تا تجهیزات و مواد تشکیل‌دهنده‌ای ارائه شوند که از طریق آن‌ها می‌توان مواد مقاوم در برابر دمای بالا را برای پیشی گرفتن از هر چیزی که توسط مردم یا طبیعت ساخته شده است، مورد پردازش قرار داد و برای دیگران مستندسازی کرد.

در جست‌وجوی مواد نسوز

«اداره پژوهش ارتش آمریکا» (ARO) با توجه به نیاز خود به مواد نسوز بهتر که در برابر ضعیف شدن، ذوب شدن یا تجزیه شدن تحت گرمای شدید یا خورنده مقاومت می‌کنند، خواستار پیشنهاداتی در مورد مواد نسوز زمینی و فرازمینی شد. در میان چندین پیشنهاد، گروه اوپیلا مجموعه‌ای از مواد جدید را طراحی و آزمایش کرد که برای عملکرد بهتر آنها، از سرامیک‌ها، آلیاژ‌ها و پوشش‌های کنونی به‌کاررفته در محیط‌های به شدت گرم استفاده شده بود.

اوپیلا دانشمند سابق ناسا و مبتکر ابداع مواد مقاوم در برابر حرارت و خوردگی است. همکاران او متخصصان زمین‌شناسی، مدلسازی محاسباتی و علم مواد از دانشکده مهندسی و علوم کاربردی دانشگاه ویرجینیا و دانشکده‌های مهندسی مواد، حمل‌ونقل و انرژی، علوم مولکولی، زمین و اکتشاف فضایی دانشگاه ایالتی آریزونا هستند.

پژوهشگران ارشد پروژه اوپیلا، «پاتریک هاپکینز» (Patrick Hopkins)، استاد دانشکده مهندسی مکانیک و هوافضا و «بی چنگ ژو» (Bi-Cheng Zhou) استادیار علوم و مهندسی مواد دانشگاه ویرجینیا هستند.

ترکیب جدید که رقیق و گرم شده و به صورت پودر خشک شده در آمده است، دوباره رقیق می‌شود و حرارت و فشار کافی را برای تشکیل دادن یک مجموعه متراکم از مواد دریافت می‌کند. پژوهشگران نمونه‌ها را تحت آزمایش‌های گوناگونی قرار می‌دهند. برای مثال، آن‌ها را در معرض بخار با سرعت‌های متفاوت می‌گذارند یا فشار‌هایی را مشابه فشار‌های زمین‌شناسی روی آن‌ها اعمال می‌کنند.

پژوهشگران علاوه بر این روش‌های سنتی، روش‌هایی را با الهام از پدیده‌های سیاره‌ای یا زمین‌شناسی آزمایش خواهند کرد؛ مانند «سنتز گرمابی» که در آب گرم با فشار بالا رخ می‌دهد. از آنجا که آب در فضای داخلی گرم و تحت فشار زمین فراوان است، فرآیند‌های گرمابی با تشکیل شدن مواد معدنی حاوی عناصر کمیاب خاکی مرتبط هستند. این عناصر برای بسیاری از کاربرد‌های انرژی تجدیدپذیر حیاتی هستند.

در آزمایشگاه، سنتز گرمابی شامل تشکیل شدن بلور‌ها در محلول مبتنی بر آب داغ در یک ظرف بسته است؛ به طوری که مولکول‌های گازی در حال حرکت روی مایع، فشار بخار بالایی را به سیستم وارد می‌کنند.

معضل عناصر کمیاب زمین

یکی از تمرکز‌های پروژه MURI، استفاده کردن از عناصر خاکی کمیاب است. بسیاری از عناصر خاکی کمیاب در حال حاضر در مواد معمولی با دمای بالا، مانند پوشش‌های مورد استفاده در هوانوردی و پرواز‌های مافوق صوت و همچنین باتری‌ها، دستگاه‌های مجهز به LED و سایر محصولاتی استفاده می‌شوند که به طور فزاینده‌ای مورد تقاضا هستند، اما هزینه گزافی دارند. اگرچه این عناصر در واقع کمیاب نیستند، اما جداسازی آن‌ها از خاک و سنگ، به ده‌ها مرحله نیاز دارد که بیشتر آن‌ها آلوده‌کننده هستند.

اوپیلا گفت: همه این اکسید‌های خاکی کمیاب که قرار است استفاده کنیم، در حال حاضر در مواد معدنی هستند. همه آن‌ها پس از استخراج باید از یکدیگر جدا شوند. به عنوان مثال، ایتربیم و لوتتیم در جدول تناوبی از نظر شیمیایی بسیار شبیه به هم هستند؛ به طوری که ۶۶ مرحله شامل بسیاری از مواد شیمیایی است که به تولید مواد زائد بد منجر می‌شوند.

مشکل جداسازی، اوپیلا را بر آن داشت تا در پروژه دیگری که همراه با گروهش روی آن کار می‌کند و مربوط به MURI است، سؤالی را بپرسد. سوال اوپیلا این بود که چه می‌شود اگر یک ماده معدنی از جنس عناصری که می‌خواهید مستقیما از زمین بیرون بیاورید، اما آن‌ها را جدا نکنید، کمی تمیز شود و مواد جدید از آن‌ها ساخته شوند.
آن‌ها در حال آزمایش کردن یک ماده معدنی رایج موسوم به زنوتیم برای بهبود پوشش‌ها هستند که از قطعات موتور جت در برابر خطراتی مانند بخار و شن‌های صحرا محافظت می‌کند.