Цивилизация
Самолеты будущего, вероятно, будут состоять не из дюралюминия (высокопрочный сплав алюминия, меди, магния и марганца) и даже не из углепластика, а преимущественно из воздуха. Это станет возможным благодаря материалам, аналогичным тем, что в настоящее время разрабатывает Boeing — крупнейший в мире производитель авиационной, военной и космической техники.
Корпорация Boeing сотрудничает с NASA и Агентством по перспективным оборонным научно-исследовательским разработкам США (DARPA) при создании передовых военных технологий, которые могут использоваться при создании космических аппаратов и сверхзвуковых летательных аппаратов.
В погоне за экономичностью производители гражданских и военных самолетов пытаются сделать конструкции максимально легкими, но без ущерба для прочностных характеристик.
Последние шесть лет HRL Laboratories — совместная исследовательская организация, принадлежащая Boeing и General Motors, — сосредоточилась на разработке так называемой микрорешетки — материала, имеющего самую низкую плотность из всех природных и искусственных субстанций.
Глава лаборатории HRL Билл Картер надеется, что в ближайшие пять лет Boeing начнет использовать разработку в конструкции ракет,
после чего ей могут найти применение в производстве элементов для авиалайнеров. Когда стоимость производства материала упадет, ему могут найти применение даже в автомобилях.
Сами производители называют свою похожую на губку разработку «открытой клеточной полимерной структурой».
Плотность микрорешетки составляет всего 0,9 мг/см3 — в сто раз легче, чем пенопласт.
Ранее рекорд самой низкой плотности принадлежал искусственным аэрогелям (1 мг/см3). «Концепция очень напоминает структуру человеческих костей. Наши кости, так же как микрорешетка, имеют очень прочную внешнюю оболочку и пустоту внутри. Вот почему кости не только прочные, но и легкие», — уверен Тобиас Шедлер, ведущий ученый в лаборатории HRL в Малибу.
«Люди думают, что мы изобрели новый сплав. На самом деле это всего лишь сплав никель-фосфора, давно известный металл. Однако нам удалось выстроить его так, чтобы создать структуру, которая может быть устойчивой и легкой настолько, что способна удержаться на одуванчике и не сломать его», — пояснила София Янг из лаборатории HRL. Структура этой решетки основана на тех же принципах, которые позволяют Эйфелевой башне не складываться под собственным весом, — аналогичные решения применяются при создании мостов, говорят ученые.
В основе решетки лежат соединенные между собой полые трубки, однако толщина их стенок составляет всего 100 нанометров — в тысячу раз меньше толщины человеческого волоса.
Именно этот параметр определяет легкость полученного материала — по сути, он на 99,99% (по объему) состоит из воздуха. Для изготовления такой замысловатой структуры ученые разработали новый метод, чем-то напоминающий популярный сегодня 3D-принтинг. Однако в отличие от трехмерной печати, где формирование заданных структур происходит слой за слоем, новый метод предполагает использование особых полимеров, которые, будучи облученными светом, позволяют получить необходимую форму за один заход.
Инженеры облучают жидкие полимеры ультрафиолетовым светом, пропуская его через специальный фильтр, что позволяет формировать из них трехмерную решетку буквально за секунды. После этого в зависимости от предназначения полученная структура может быть покрыта самыми разнообразными металлами, керамикой или композитными элементами.
Создатели могут менять прочностные свойства решетки путем подбора химического состава полимера или настройками фильтра, используемого при их застывании.
Это означает, что ученые могут создавать как гибкие, гнущиеся материалы, способные принимать на себя и гасить энергию механических ударов, так и очень жесткие структуры, обеспечивающие прочность конструкций.
Эксперименты показали, что обернутое в такую решетку яйцо сохраняется целым после падения с высоты 25-го этажа.
Еще одним важным свойством решетки является способность к полному восстановлению формы, даже при сильном сжатии и растяжении. «То, как эта технология развивается, — фундаментальный производственный процесс. Он может быть применим в широком круге задач, — уверена Янг. — Мы работаем над масштабированием этого процесса. Пока мы занимаемся исследованиями, но эти материалы не могут оставаться в лаборатории — нам нужно выяснить, как производить их в больших количествах».
Удивительные свойства решетки могут найти применение в создании электродов аккумуляторов, катализаторов, акустических и вибрационных систем. «Материал может соревноваться по стоимости производства с другими. И если он станет настолько дешев, чтобы использоваться в автоиндустрии, уж точно его стоимость снизится для использования в самолетах», — считает Янг.