Ozubená kolečka jsou již po celá staletí nedílnou součástí všech možných mechanismů od kapesních hodinek až po mnohatunové těžební stroje. Neobejde se bez nich prakticky žádný robot včetně těch kosmických. Kolečka umožňují provádět jemné a přesně plánované pohyby, které je možné velmi rychle zastavit. Je jasné, že nekvalitní kolečka toho tolik nevydrží – mohou se třepit, praskat, nebo lámat. Když má váš robot odebrat vzorek mimozemského materiálu, nebo se zachytit za výstupek, nemůžete do něj dát obyčejné součástky z obchodu pro kutily.

To samozřejmě moc dobře vědí i odborníci z NASA. V kalifornské Jet Propulsion Laboratory se tomuto problému věnuje technolog Douglas Hofmann a tým jeho spolupracovníků. Jejich cílem je vyvinout lepší ozubená kolečka pro budoucí mise – na první pohled drobnost, ale ve skutečnosti je celá kosmonautika závislá na drobnostech, což se většinou ukáže až při vyšetřování nejrůznějších havárií. Ale zpět do JPL – Douglas Hofmann v poslední době publikoval dvě studie, ve kterých rozebírá možnost výroby koleček pro kosmické roboty z materiálu označovaného jako BMG (bulk metallic glass). Česky bychom tento materiál mohli pojmenovat jako metalické sklo, což je snadno vyrobitelná slitina, která může být ideální pro výrobu koleček.

„Ačkoliv výzkumy BMG probíhají už dlouho, ukázalo se, že výzkum, jak je implementovat do strukturálních dílů zůstával nepodchycen,“ vysvětluje Hofmann a dodává: „Náš tým výzkumníků a inženýrů z JPL společně se skupinami z Caltechu a univerzity v San Diegu konečně provedl nezbytné testy koleček z BMG a ukázal jejich potenciální výhody pro sondy NASA. Tyto materiály mohou být ideálním řešením pro pohyb v drsných prostředích jako je třeba povrch jupiterova měsíce Europa.“

Metalické sklo není žádný tajemný hybridní materiál tvořený napůl sklem a napůl kovem. Tajemství se ukrývá ve vnitřní struktuře materiálu, tedy v uspořádání atomů. Kovy se vyznačují tím, že jejich atomy jsou organizovaně složené do krystalických mřížek. Ovšem pokud je zahřejeme a roztavíme, krystalická struktura zmizí a v tekutině budou náhodně „rozházené“ atomy. Pokud tuto taveninu velmi, ale opravdu velmi rychle a výrazně zchladíme (bavíme se o rozdílu cca. 1000°C za jedinou sekundu), zůstanou atomy i v pevném skupenství v „rozptýleném“ stavu, který měly v kapalné fázi.

Tento postup dává vzniknout materiálům s náhodným uspořádáním atomů, bavíme se o nektrystalické, nebo též amorfní mikrostruktuře. Právě toto atomární uspořádání dává těmto materiálům jejich běžné jméno – říká se jim buďto amorfní materiály, nebo metalická skla. Díky mimořádně prudkému zchlazení je materiál technicky vzato velmi podobný sklu. Po zahřátí snadno tečou a mohou být vyfouknuty do forem, nebo vytvořit pláty podobné okenním tabulkám. Pokud tyto materiály vytváří díly větší, než 1 milimetr, přidává se k anglickému označení metallic glass ještě slovo bulk (česky objem, množství, velikost) a z toho již pochází zkratka BMG.

Metalická skla spatřila světlo světa poprvé v roce 1960 na Kalifornském technologickém institutu. Od té doby se jejich výroba rozšířila do mnoha oblastí od mobilních telefonů až po golfové hole. Mezi výhody metalických skel patří třeba nízký bod tání. Díky tomu je možné vyrábět díly pomocí injektáže do forem, což je proces, který se používá třeba při výrobě plastových dílů. Oproti nim ale mají metalická skla mnohem větší pevnost a odolnost proti opotřebení. Nespornou výhodou BMG je, že nekřehnou ani při extrémně nízkých teplotách. Právě křehnutí způsobuje, že se běžným kolečkům odlamují zuby. Díky této vlastnosti mají BMG otevřenou cestu k robotům, které vznikají v JPL.

Kolečka z BMG bez problémů fungují nejen v nízkých teplotách, ale nedělá jim problém ani chod nasucho, tedy bez dodatečných mazadel. Dosavadní zkoušky ukázaly, že tato kolečka odolávají silnému pnutí a přitom se snadno otáčí bez jakéhokoliv lubrikantu a to i při teplotách -200°C, kde už bývají problémy nejen s materiálem koleček, ale i se sehnáním potřebného mazadla. Pro roboty, kteří budou zkoumat zmrzlé povrchy kosmických těles to může být nesporná výhoda. Například vozítko Curiosity musí využít poměrně velké množství energie, aby prohřálo mazadlo v okolí koleček, kdykoliv se má rover pohnout. A to jsou na Marsu stále příhodné teploty ve srovnání s jinými světy, které bychom jednou rádi prozkoumali.

„To, že můžeme ovládat ozubená kolečka i při nízkých teplotách, které panují na ledových měsících, třeba Europě, je pro vědce skutečným přelomovým bodem,“ popisuje R. Peter Dillon, technolog a programový manažer skupiny materiálového vývoje a výrobních technologií při JPL a dodává: „Energie ve formě tepla už nemusí být vypouštěna pryč od vědeckých přístrojů, aby ohřála mazivo v převodovce, což ušetří cennou kapacitu baterií.“

Druhá studie z dílny Douglase Hofmanna se týká otázky, jak s využitím BMG snížit náklady na mechanismus označovaný jako strain wave gears, tedy harmonické (vlnové) převodovky. Tento typ ozubených kol obsahuje kovový prstenec, který se ohýbá podle toho, jak se kolo otáčí. V drahých robotech je tato součástka téměř všudypřítomná a přitom je složité dosáhnout její masové produkce.

Využití BMG by znamenalo, že tato kola mohou pracovat i při nízkých teplotách, ale navíc by se dala vyrábět za zlomek ceny současných ocelových verzí aniž bychom museli obětovat spolehlivost. I v tomto případě se jedná o zlomový bod ve vývoji tohoto typu kol, které často patří mezi nejdražší díly. „To platí především pro humanoidní roboty, kde jsou tato drahá kola v kloubech nutná, aby se předešlo chvění paží. Správná funkce i za nízkých teplot je výhodou pro sondy a rovery od JPL,“ popisuje Hofmann.

Zdroje informací:
https://www.nasa.gov/
http://scienceandtechnology.jpl.nasa.gov/

Zdroje obrázků:
https://s-media-cache-ak0.pinimg.com/…/c351ab4b9db84d85a8d4f2796c32caba.jpg
http://thefutureofthings.com/upload/items_icons/Titanium-Based-Metallic-Gla_large.jpg
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e6/Bulk_Metallic_Glass_Sample.jpg
http://scienceandtechnology.jpl.nasa.gov/metallurgy-facility
https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/gears_secondary.jpg