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.

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%.

„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.“

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.“

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.“

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