Είναι τα ανθρακονήματα το υλικό του μέλλοντος;

Disclaimer: Απαγορεύεται η αναδημοσίευση, αναπαραγωγή, ολική, μερική ή περιληπτική ή κατά παράφραση ή διασκευή ή απόδοση του περιεχομένου του παρόντος διαδικτυακού τόπου με οποιονδήποτε τρόπο, χωρίς αναφορά στο RAWMATHUB.GR (με ενεργό link) ή χωρίς την προηγούμενη γραπτή άδεια του RAWMATHUB.GR. 

Το επόμενο μεγάλο άλμα στην επιστήμη των υλικών είναι στο πεδίο των πλαστικών που είναι ενισχυμένα με άνθρακονήματα. Τα ανθρακονήματα, και ο ακόμα πιο φουτουριστικός αδερφός τους, οι νανοσωλήνες άνθρακα, έχουν διαφημιστεί ως η επόμενη μεγάλη καινοτομία που θα επιτρέψει στους ανθρώπους να κατασκευάσουν εκπληκτικές δομές που κάποτε ήταν αδιανόητες.

Ο Elon Mask αποκάλυψε πρόσφατα μια τεράστια πλαστική κρυογονική δεξαμενή καυσίμου ενισχυμένη με ανθρακονήματα, τη μεγαλύτερη δεξαμενή καυσίμου που έχει δημιουργηθεί ποτέ για διαστημικές πτήσεις. Η κατασκευή διαστημοπλοίων αυτού του μεγέθους δεν είναι εύκολη υπόθεση. Όσο μεγαλύτερο είναι το διαστημόπλοιο, τόσο περισσότερα καύσιμα χρειάζεται για να ξεφύγει από τη βαρύτητα της Γης. Όσο περισσότερο καύσιμο χρειάζεται, τόσο μεγαλύτερο πρέπει να είναι το ρεζερβουάρ καυσίμου, κάτι που απλώς προσθέτει περισσότερη μάζα στον πύραυλο. Τα ενισχυμένα με ανθρακονήματα πλαστικά, παρέχουν έναν νέο τρόπο για να διατηρηθεί το βάρος χαμηλά, διατηρώντας παράλληλα την αντοχή που απαιτείται στις εσωτερικές πιέσεις.

Αλλά η κατασκευή μιας δομής όπως αυτή από ανθρακονήματα δεν είναι εύκολη υπόθεση. Αυτό είναι το είδος του υλικού που αν προσγειωνόταν στη Γη μόλις πριν από 70 χρόνια, θα ήταν ένα εντελώς εξωγήινο αντικείμενο, και ακόμα μαθαίνουμε πολλά για τη μηχανική του. Το γεγονός ότι η SpaceX δημιούργησε μια δομή αυτού του μεγέθους από πλαστικά ενισχυμένα με ανθρακονήματα, η οποία έχει ήδη δοκιμαστεί στο 65% της πίεσης που αναπτύσσεται κατά την εκτόξευση, είναι εκπληκτικό από μόνο του. Αλλά δεν έχουμε ακόμη δει την αντοχή που έχει στις εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες των υγρών καυσίμων του πυραύλου χωρίς ρωγμές και διαρροές και, μάλιστα, κατ’ επανάληψη.

Εξάλλου, το όλο νόημα των πυραύλων της SpaceX είναι να είναι επαναχρησιμοποιήσιμοι. Η κατασκευή μιας κρυοδεξαμενής από σύνθετα υλικά είναι χωρίς αμφιβολία το πιο δύσκολο μέρος της κατασκευής ενός διαστημόπλοιου αυτού του μεγέθους. Ωστόσο, το υλικό θα είναι καθοριστικό για τη μείωση του βάρους του σκάφους αρκετά ώστε να ξεπεραστεί η βαρυτική έλξη για μεγαλύτερου μεγέθους διαστημικά οχήματα.

Παρόλο που ακόμα μαθαίνουμε πολλά για το συγκεκριμένο υλικό, τα ανθρακονήματα από μόνα τους, δεν είναι τόσο καινούρα όσο νομίζουμε. Τα πρώτα ανθρακονήματα κατασκευάστηκαν από τους Thomas Edison και Joseph Swan για χρήση ως νήματα στους νέους τους ηλεκτρικούς λαμπτήρες πυρακτώσεως. Οι ίνες άνθρακα που δημιούργησαν, παρήχθησαν από την ενανθράκωση φυτικών νημάτων όπως το βαμβάκι, το ξύλο και το μπαμπού. Αυτό το υλικό δεν είχε την αντοχή εφελκυσμού των σημερινών ινών άνθρακα, αλλά επέτρεψε στον Edison και στον Swan να αντικαταστήσουν τα ακριβά νημάτια πλατίνας που χρησιμοποιούνταν μέχρι τότε.

Τα νημάτια από μπαμπού άνθρακα που ανέπτυξε ο Edison διήρκεσαν έως και 1200 ώρες και ήταν ο κανόνας για 10 χρόνια έως ότου τα νημάτια βολφραμίου τα αντικατέστησαν. Στα τέλη της δεκαετίας του 1950, η Union Carbide Corporation, μια εταιρεία που κατασκεύαζε νήματα λαμπτήρων, άρχισε να ερευνά πιθανά υλικά για αντικατάσταση των νημάτων βολφραμίου. Το πρώτο υλικό που δοκιμάστηκε ήταν το Rayon, ένα τεχνητό υλικό με βάση την κυτταρίνη, δημοφιλές ως φθηνή εναλλακτική λύση στο μετάξι και το βαμβάκι, ως βασικό συστατικό για τις ίνες άνθρακα. Αυτή ήταν μια σημαντική στιγμή για την έναρξη της σύγχρονης εποχής των ανθρακονημάτων, καθώς τα υλικά που προέκυψαν έδειξαν δυνατότητες ως δομικά υλικά.

Λίγο αργότερα, το Ιαπωνικό Government Industrial Research Institute άρχισε να ερευνά τη δημιουργία ινών από πολυακρυλονιτρίλιο (Polyacrylonitrile, PAN). Η πλειοψηφία των σημερινών ανθρακονημάτων παράγεται με PAN, παρόλο που είναι ένα ακριβό υποπροϊόν της παραγωγής λαδιού. Αποδίδει μια ίνα με πολύ υψηλότερο ποσοστό άνθρακα από το Rayon και είναι πιο εύκολο να κατασκευαστεί.

Ο Δρ. Akio Shindo δημιούργησε μακριές ίνες από PAN, το οποίο σταθεροποίησε θερμαίνοντας το πρώτα στους 250^οC για έως και δύο ώρες. Η θέρμανση αναδιατάσσει τους χημικούς δεσμούς για να δημιουργήσει έναν θερμικά σταθερό δεσμό μεταξύ των μορίων. Αυτές οι ίνες στη συνέχεια θερμαίνονται ξανά στους 1.000^οC απουσία οξυγόνου, διαδικασία η οποία αφαιρεί άτομα διαφορετικά από τον άνθρακα από το υλικό, αφήνοντας στενά συνδεδεμένα άτομα άνθρακα διατεταγμένα ως επί το πλείστον προς την κατεύθυνση της ίνας.

Αυτό το υλικό ήταν τόσο ανθεκτικό στη θερμότητα όσο και στα χημικά. Είχε εξαιρετική αντοχή σε εφελκυσμό και σε οξείδωση. Εξειδικευμένες βιομηχανίες, όπως η αεροδιαστημική, είδαν αμέσως τις δυνατότητες των ανθρακονημάτων στη μείωση του βάρους των διαστημοπλοίων και, κατά συνέπεια, στην ευκολότερη διαφυγή από το βαρυτικό πεδίο της Γης. Και όταν ο Gay Brewer κέρδισε το τουρνουά γκολφ Taiheiyo Club Masters το 1972, χρησιμοποιώντας έναν μπαστούνι του γκολφ από ανθρακονήματα, το υλικό τράβηξε επίσης την προσοχή του κόσμου των σπορ. Οι κατασκευαστές αθλητικών ειδών σε όλο τον κόσμο άρχισαν να δημιουργούν προϊόντα από ανθρακονήματα. Μπαστούνια γκολφ, ρακέτες τένις και αγωνιστικά ποδήλατα, άρχισαν να κατασκευάζονται με φθηνότερες ίνες χαμηλότερων προδιαγραφών που η αεροδιαστημική βιομηχανία δε μπορούσε να χρησιμοποιήσει.

Παρά την υψηλή τιμή του, η ζήτηση για το υλικό συνέχισε να αυξάνεται και μέχρι το 1980 η παραγωγή έφτασε τους 1.000 μετρικούς τόνους ετησίως. Ωστόσο, το ανθρακόνημα παρέμενε ένα εξαιρετικά δύσκολο υλικό για να κατεργαστεί και πολλοί εξακολουθούσαν να αμφιβάλλουν για την ικανότητα του ως δομικό υλικό. Κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης της McLaren MP4/1, ένας δύσπιστος μηχανικός ανέφερε ότι ένα κομμάτι σύνθετου ανθρακονήματος έσπασε εύκολα στη μέση, εκφράζοντας την πεποίθηση ότι το υλικό ήταν εξαιρετικά εύθραυστο για να χρησιμοποιηθεί σε ένα αγωνιστικό αυτοκίνητο. Ωστόσο, η πραγματικότητα είναι ότι η θραύση επήλθε γιατί η τάση εφαρμόστηκε παράλληλα στις ίνες. Αν είχε προσπαθήσει να το σπάσει εφαρμόζοντας τάση κάθετα σε αυτές, θα είχε σοβαρές δυσκολίες.

Οι σχεδιαστές του MP4/1 κατάφεραν να δημιουργήσουν ένα τόσο ανθεκτικό αγωνιστικό με ανθρακονήματα που όταν το αυτοκίνητο συγκρούστηκε και η συμπεριφορά του υλικού ήταν ιδανική, κάθε δυσπιστία εξαφανίστηκε. Και αυτό έγινε δυνατό γιατί μπορούμε να προσαρμόσουμε τις κατευθύνσεις των ινών για να βελτιστοποιήσουμε τις ιδιότητες του υλικού.

Ένα από τα μεγάλα προβλήματα κατά την κατασκευή μιας μεγάλης κατασκευής από σύνθετο υλικό ανθρακονημάτων, είναι ότι πρέπει να τοποθετηθούν σε αυτόκλειστο για να ληφθεί η καλύτερη ποιότητα υλικού. Ένα αυτόκλειστο ασκεί θερμότητα και πίεση στο υλικό για να πήξει τη ρητίνη σύνδεσης των ανθρακονημάτων και αναγκάζει τον αέρα να βγει από τη ρητίνη κατά τη διαδικασία σκλήρυνσης, απαλλάσσοντας το υλικό από κενά στη δομή.

Στην περίπτωση της κρυογονικής δεξαμενής της SpaceX, αυτά τα κενά αποτελούν ακόμη μεγαλύτερο πρόβλημα, επειδή το κύριο θέμα για το υλικό είναι η διαρροή κρυογονικού καυσίμου μέσω μικρορωγμών και κενών. Είναι βέβαιο ότι με περαιτέρω δοκιμές θα καταφέρουμε να φτιάξουμε δεξαμενές από πλαστικό ενισχυμένο με ανθρακονήματα, το οποίο με τη σειρά του, θα μας επιτρέψει να εκτοξεύσουμε μεγαλύτερα διαστημικά οχήματα σε τροχιά και να φτάσουμε περισσότερο μακριά στο ηλιακό μας σύστημα.

ΜΕΤΑΦΡΑΣΗ - ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: ΣΥΝΤΑΚΤΙΚΗ ΟΜΑΔΑ RAWMATHUB.GR