Před několika týdny jsme Vám přinesli článek, který se věnoval suborbitálním raketám. Jelikož měl u čtenářů poměrně úspěch, řekli jsme si, že se pokusíme čas od času zabrousit do oblasti suborbitálních nosičů, které, ač nikdy nedosáhnou oběžné dráhy, mohou nést velmi zajímavé náklady. Výzkum, který probíhá na suborbitálních skocích může vydláždit cestu k tomu, co jsme zvyklí označovat jako skutečnou kosmonautiku, tedy lety minimálně na oběžnou dráhu Země. V dnešním článku se podíváme na výzkum zaměřený na nanotechnologie.
Aby se mohly nanotechnologie uplatnit v běžné praxi a výrobních procesech, musí se lidstvo ještě hodně naučit – ono manipulovat s hmotou v nanoměřítku není snadné. Jedním z nejslibnějších směrů v této oblasti je výzkum uhlíkových nanotrubiček. Jejich název velmi přesně vystihuje jejich podobu – jde o malé, duté trubice s průměrem 0,7 – 50 nanometrů (průměr běžného lidského vlasu je 60 mikrometrů, tedy 60 000 nanometrů) a délkou v řádu desítek mikrometrů. Tyto mikroskopické trubičky tvořené uhlíkem mají mimořádně zajímavé vlastnosti.
Zdroj: https://www.nasa.gov
Pokud z nich například správnými postupy vyrobíme nějaké materiály, budou úžasně pevné, ale přitom extrémně lehké. V popularizačních oblastech materiálového inženýrství se obvykle chování materiálů přirovnává k oceli – v tomto případě se bavíme o něčem, co je 200× pevnější a 5× ohebnější než ocel. Bonusem je, že uhlíkové nanotrubičky nabízejí výborné vodivé vlastnosti – ať už je řeč o vedení tepla, nebo elektřiny.
Není proto divu, že se o tyto malé zázraky začala zajímat i NASA, konkrétně její podvýbor STMD (Space Technology Mission Directorate). Pro lety do vesmíru by pevný materiál s nízkou hmotností byl přímo požehnáním – rázem by bylo možné zvýšit možnosti všech oborů. Z počítačových simulací víme, že pokud by se materiály založené na uhlíkových nanotrubičkách použily k výrobě výztuh, bylo by možné snížit celkovou hmotnost raket o celých 30%.
Zdroj: http://large.stanford.edu
„Neexistuje žádná samostatná technologie, která by měla takový dopad na hmotnost raket,“ chválí Michael Meador z Glenn Research Center v Clevelandu, stát Ohio. Michael Meador, který je manažerem v oddělení lehkých materiálů a jejich výroby, dodává: „Rozhodně nechci, aby to znělo jako klišé, ale tohle může kompletně změnit pravidla naší „hry“.“
Nejlepším způsobem, jak otestovat nové technologie určené pro let do vesmíru je … poslat je do vesmíru. 16. května proto přišla letová zkouška, která měla ověřit chování kompozitní nádrže založené na vláknech z uhlíkových nanotrubiček a porovnat nasbírané údaje s konvenčními kompozity, které tvoří uhlíková vlákna a pryskyřice. Ke zkoušce se použije tlaková nádoba s kompozitním ovinutím označovaná zkratkou COPV (Composite Overwrapped Pressure Vessel), kterou vynesla 17 metrů dlouhá suborbitální raketa Black Brant IX ze základny Wallops ve Virginii. Let byl označován jako testovací mise SubTec-7.
„Testovaná COPV je součástí systému se stlačeným dusíkem,“ vysvětluje Meador s tím, že tento systém přichází ke slovu při ovládání letu, ale i ve chvíli, kdy je potřeba sestavu roztočit kvůli lepší stabilizaci, přičemž dodává: „COPV je vlastně součást palubního experimentu. Ještě nikdy dříve se uhlíkový nanokompozit nepoužil ve vesmírném prostředí pro zkoušky strukturálních komponentů během skutečného letu.“
Zdroj: https://www.nasa.gov
Výrobu testovací COPV zajistila spolupráce hned tří středisek NASA – Glenn Research Center, Langley Research Center a Marshall Space Flight Center – s několika soukromými firmami. Jednou z hlavních byla společnost Nanocomp z města Merrimack ve státě New Hampshire, která vyrobila vlákna a desky z uhlíkových nanotrubiček. Použila přitom speciální procesy výroby, které vyvinuli odborníci z NASA. „Nechtěli jsme vyrobit jen vysokopevnostní kompozit z uhlíkových nanotrubičkových vláken, ale také demonstrovat jejích výkonnost tím, že vytvoříme skutečný hardware, který se pak otestuje při reálném letu,“ popisuje Meador a dodává: „Letový test nám může ukázat, že tyto materiály jsou připravené pro použití na příštích misích od NASA.“
Zdroj: https://www.nasa.gov/
Zkouška na suborbitální raketě je jen pověstným prvním krůčkem na dlouhé cestě. Emilie Siochi, materiálová inženýrka z Langley Research Center ve městě Hampton, stát Virginia, k tomu doplňuje: „Tato COPV je prvním opravdu velkým dílem, jaký jsme kdy vyrobili stáčením nanotrubičkovch vláken do kompozitu.“ Ještě před zahájením výroby se přitom předpokládalo, že tento výrobní postup bude možné použít jen pro malá množství materiálu. To by ale byl problém a tak se začalo hledat řešení.
„Museli jsme vylepšit vlastnosti, kvalitu i kvantitu,“ vyjmenovává Siochi. NASA mohla v tomto případě těžit z dobrých vztahů se soukromým sektorem. Specialisté se díky tomu mohli společnými silami dostat k vytvoření procesů, které umožní využívat tyto materiály i ve větším měřítku pro kosmické aplikace. Součástí neocenitelného partnerství byly i kvalifikační zkoušky COPV a závěrečný letový test už byl jen třešničkou na dortu. „Je tu velký potenciál ve strukturální pevnosti – uhlíkové nanotrubičky jsou mnohem pevnější, než uhlíkové kompozity, které dnes tvoří nejmodernější používané strukturální materiály,“ vysvětluje Siochi a dodává: „Když jsou pevnější, budeme moci s jejich pomocí vytvořit lehčí materiály, které potřebujeme k letům do vesmíru.“
Zdroj: https://www.nasa.gov
Testování nové technologie určitě neskončí jen u COPV. Novátorská metoda poslouží v dlouhodobém časovém horizontu v mnoha oblastech. „Když jsme s tímto výzkumem začínali, chtěli jsme se zaměřit na oblast, do které by bylo logické, aby NASA investovala, na oblast, ze které by agentura měla největší užitek, nejlepší hmotnostní úsporu, zlepšení výkonu a úsporu energie,“ vzpomíná Meador. Práce ale ještě rozhodně není hotová – před specialisty je ještě mnoho úkolů – především v oblasti mechanických vlastností, stejně tak i výroba těchto speciálních vláken v množstvích, která jsou srovnatelná s konvenčními uhlíkovými vlákny.
Ale tato technologie má obrovský přesah mimo kosmické lety. Materiály z uhlíkových nanotrubiček by se mohly používat i v automobilovém průmyslu. Auta by byla pevná a přitom lehká. Snížená hmotnost by se pozitivně odrazila na snížení spotřeby paliva. S tím jde ruku v ruce i pokles vypouštěných zplodin. Úplně stejně by to fungovalo i v leteckém průmyslu.
Zdroje informací:
https://www.nasa.gov/
https://sites.wff.nasa.gov/
http://www.parabolicarc.com/
http://wtkr.com/
Zdroje obrázků:
https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/copv_0390.jpg
https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/copv_subtec-7_pic2.jpg
http://large.stanford.edu/courses/2015/ph240/kumar1/images/f1big.png
https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/copv_manufacturing_pic3.jpg
https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/copv_0387.jpg
https://www.nasa.gov/…/thumbnails/image/copv_tank_close_out_prior_to_flight.png
Tak ja , jako milovník scifi, si vždycky predstavim pod pojmem nanotrubičky vesmírný výtah 🙂
Btw.: je půl hodiny po půlnoci a Dušan nám píše dnes článek. Ten je již 37x precteny. Ze by fanoušci kosmonautiky nemohli spát?
Je to tak, máme tu tradiční nespavce. 🙂
Články většinou nasbírají do jedné hodiny cca 50 přečtení. Pak to roste jen velmi pomalu, protože lidé spí. Čísla začnou růst až ráno. Mnoho lidí nám píše, že čtou naše články ke snídani, což nás velmi těší. 😉
Ten material vyzera nadejne … fakt zaujimavy clanok.
Jsme rádi, že jsme o tom mohli informovat.
CO se týče těch uhlíkových nanotrubiček, musí jej nějak spojovat, je to opět pryskyřicí nebo se jedná o jinou technologii? – spékání??
vzhladom k nazvu nankompozit to bude najskor spajane nejakou zivicou (pryskyrici). „kompozit“ znamena, ze je material zlozeny z viacerych povodne separatnych zloziek.
z viacerych povodne separatnych zloziek – které dohromady mají lepší vlastnosti než každá složka zvlášť… kompozitní materiál je i železobeton, nebo překližka… to nám o spojení nanotrubiček nenapoví zhola nic…
Jedinej správnej způsob by bylo patrně to, co popisuje už A.C. Clarke ve Fontánách ráje. Prostě to už od počátku produkovat v požadované délce. Protože to dodatečné spojování. Jsem k tomu dost skeptický. Musel by si na ony koncové skupiny na té uhlíkové struktuře připolymerovávat a pokračovat v onom tvaru. Nic jiného nebude mít onu pevnost a strukturu a pravidelnost.
Bohužel jsem detaily nedokázal dohledat.
Zkusím na to nějak jednoduše odpovědět. Podotýkám, že sme na škole tuto problematiku studovali a řada kolegů na podobné věci delala doktoráty. No, ono jde o to, že pro většinu současných aplikací se to používají nanotrubice jako plnivo a často se jako matrice používají různé polymery (z důvodu nízké hmotnosti). A typ polymer vybíráš samozřejmě na základě ceny a použití. Můžeš tím zlepšovat elektrickou vodivost, mechanické vlastnosti, tepelné vlasnosti, propustnost pro plyny atd. Některé vlastnosti tím plnivem můžeš snížit, ale ono jde často u kompozitů o to, že se ti alespoň jedna vlastnost zlepší, nejlépe právě ta, od které to požaduješ. A ted samozřejmě výber matrice bude záležet na použití. Pokud však potřebuješ vysoce pevnostní vlastnosti, vybereš si jeden typ material, například nějaký reaktoplast (onu zmiňovanou pryskyřici), ale když ti jde jen o to, aby ti z jedné místnosti neunikal plyn na druhou stranu, vybereš si třebas polypropylen. Ale si už psal, pokud se jedná o to, že zkoušíme nádrž na palivo, bude matricí skoro určitě reaktoplast.
Jaká je šance udělat z nanotrubiček nějaké delší vlákno? podobně jako „klasické uhlíkové“ vlákno?
Zkusím ti to převést tu odpověď trošku jinam a zárověň ti odpovedět. Existuje perfektní material, který, kdyby se podařilo rozseparovat na jednotlivé části své struktury, tak by úžasně zlepšil vlastnosti plastů – Montmorilonit. Ale jaksi se ho nedaří doslova rozlaminovat na jednotlivé vrstvy, vždy je to několik vrstev spojených dohromady a to prostě není ono. Všichni ví, že až se to dokáže, bude to bomba, ale nikdo to neumí, ale pořád se to zkouší. (Ze školy sem odešel v roce 2007).
Existuje třebas vlastnost, které s říká tržná délka (při jaké délce by se vlákno z daného materialu přetrhlo vlastní vahou). Už dlouho se ví, že plasty poskytují daleko lepší hodnoty než kovy. Jenže výroba skleněných či obyčejných uhlíkových vláken je jedna liga a výroba těch druhých je jiná liga. Nechci působit jako úžasný odborník. Studoval jsem plasty ve Zlíně, ale už nějaký čas ve výzkumu nedělám.
Takže upřímná odpověd na tvou otázku zní – nevím.
To je fain, že je zde článek o výzkumu nových materiálů jako je grafem.
Přimlouval bych se za články o nejnovějším výzkumu materiálů, jako je grafen,bílý grafen, stanen a pod.
Samozřejmě s možným využitím v kosmonautice.
Pokud se někdy objeví informace, rádi je překlopíme do článku.
Je to moc zajímavé téma pro kosmonautiku. Velké díky za takové články 🙂
Toto je rozhodne zaujimava tema a nevadi, ze sa zatial netyka orbitalnych letov. Grafen je zaujimavy material a jeho roznorode aplikacie su nemenej zaujimave, zvlast ak su vztiahnute na kozmicke technologie.
No, ono to zní skvěle, ale to vlákno z uhlíkových nanotrubiček je jen dvakrát pevnější než standardní uhlíkové vlákno, které se používá v dnešních kompozitech, třeba pro výrobu rámů kol nebo konstrukčních celků v závodních formulích.
A vzhledem k tomu, že raketa na startu je vlastně „plechovka plná paliva“ a samotná konstrukce představuje třeba jen 5 procent startovací hmotnosti, vypadá to tak na ušetření nějakých 1,5 až 2 procent startovací hmotnosti rakety.
Pokud by se to použilo pro první stupeň, tak to velký vliv mít nebude, ale na úrovni družice nebo kosmické lodi je každé kilo hodně znát.
Pardon, to měla být odpověď na pana maro.
Kde najdu minuly článek o stratosférických raketách
Tady – https://kosmonautix.cz/2017/02/umely-mrak-vyzkum-polarnich-zari/
Tak nejen automobilový průmysl, letecký i vesmírný průmysl by to využil, hodilo by se to i na výrobu lodí, teoreticky i výztuhy do betonu. Použití by se našlo určitě více. A naštěstí uhlíku tu máme celkem dost.
Z popisovaného materiálu jsem nadšen. Z článku a komentářů rovněž. Díky!