در سال ۲۰۰۷، یک تکه زباله فضایی با شدت به پنل رادیاتور شاتل فضایی اندِور برخورد کرد و حفرهای شبیه به سوراخ گلوله در آن ایجاد کرد. اگرچه برنامه شاتل فضایی در سال ۲۰۱۱ به پایان رسید، اما با افزایش پرتاب ماهوارهها، تلسکوپها و فضاپیماها به مدار، مشکل زبالههای فضایی هر روز جدیتر میشود. به همین خاطر، دانشمندان چینی ماده آلومینیومی جدیدی با الهام از پوسته تخممرغ طراحی کردهاند که به اعتقاد آنها میتواند محافظت بهتری در برابر زبالههای فضایی فراهم کند.
پوسته تخممرغ به دلیل ویژگیهای مکانیکی خاصش مدتهاست که مورد توجه دانشمندان قرار گرفته است. به عنوان مثال، برای شکستن یک تخممرغ باید نیروی کافی به مرکز آن وارد شود تا پوسته بهصورت تمیز بشکند و کاملاً متلاشی نشود. در سال ۲۰۱۲، پدرو ریس، مهندس مکانیک دانشگاه MIT، در تحقیقی نشان داد که شکل بیضیگون تخممرغ و سختی آن ارتباط نزدیکی دارند؛ این موضوع عاملی کلیدی برای پیشبینی مقدار نیرویی است که یک جسم میتواند پیش از ترکخوردن تحمل کند.
مطالعات ریس بر روی پوست تخممرغ پس از شرکت در یک آزمایش فیزیکی مشهور آغاز شد: راهرفتن روی شانه تخممرغ بدون شکستن آنها. او متوجه شد که نکته کلیدی این است که تخممرغها را بهگونهای قرار دهید که نوک باریکشان که مقاومترین بخش در برابر ترکخوردگی است، رو به بالا باشد و سپس پاها را با دقت روی جعبه قرار دهید تا وزن بدن بهطور یکنواخت روی تمام سطح پخش شود. به این ترتیب، فشار بیش از حد به هیچ تخممرغی وارد نمیشود. در حالی که برای شکستن یک تخممرغ تقریباً ۲۴٫۵ نیوتن نیرو لازم است، میزان نیروی مورد نیاز به جهت اعمال نیرو و نحوه توزیع آن روی سطح پوسته بستگی دارد.
حفره ایجادشده روی رادیاتور شاتل فضایی اندور در جریان ماموریت STS-118.
صنعت هوافضا در دهههای ۱۹۵۰ و ۱۹۶۰ متوجه شد که مقاومت پوسته تخممرغ در برابر خردشدن میتواند الگوی مفیدی برای تحلیل شکست پوستههای فلزی مورد استفاده در ساخت هواپیماها باشد. این مقاومت به ساختار پوسته مربوط میشود که شباهتهایی به مینای دندان یا صدفهای دریایی دارد. پوسته تخممرغ عمدتاً از بلورهای کربنات کلسیم تشکیل شده که درون ماتریسی پروتئینی قرار گرفتهاند و غشای داخلی نازکی از جنس کلاژن نیز آن را تقویت میکند. به همین دلیل، پوسته تخممرغ گاهی به عنوان «بستهبندی کامل طبیعت» توصیف میشود.
یکی دیگر از آزمایشهای علمی محبوب، چالش سقوط تخممرغ است که در آن دانشآموزان باید راهی پیدا کنند تا هنگام سقوط تخممرغ از ارتفاع زیاد، مانع از شکستن آن شوند. برای مدتها تصور میشد بهترین راه این است که تخممرغ را بهصورت عمودی رها کنیم؛ نتیجهای که با پژوهش ریس در سال ۲۰۱۲ نیز همخوانی داشت. اما اوایل امسال، تال کوهن، همکار ریس در MIT که گروه او مسئول برگزاری چالش سالانه سقوط تخممرغ در MIT است، تصمیم گرفت فرض موجود را آزمایش کند. گروه او دریافت که در شرایطی که جذب انرژی اهمیت زیادی دارد، مانند آزمایش سقوط تخممرغ، تخممرغهای افقی انرژی بیشتری جذب میکنند و تحت نیروی یکسان، بیشتر فشرده میشوند. آزمایشهای بعدی نیز این نتیجه را تأیید کرد: تخممرغهایی که بهصورت افقی قرار گرفته بودند، هنگام سقوط از ارتفاع یکسان، کمتر از تخممرغهای عمودی ترک خوردند.
بنابراین، فیزیک پوسته تخممرغ پیچیدهتر از آن چیزی است که به نظر میرسد و دانشمندان همچنان در حال کشف ویژگیهای تازه آن و یافتن کاربردهای جدید برای این آموختهها هستند؛ از جمله محافظت در برابر زبالههای فضایی. گزارشی از ناسا در سال ۲۰۲۱ تخمین زده بود که در مدار نزدیک زمین حدود ۳۴ هزار قطعه زباله بزرگتر از ۱۰ سانتیمتر، حدود ۹۰۰ هزار قطعه با ابعاد بین یک تا ۱۰ سانتیمتر و تقریباً ۱۲۸ میلیون قطعه کوچکتر از یک سانتیمتر وجود دارد. حتی کوچکترین ذرات زباله نیز میتوانند به فضاپیماها آسیب بزنند، زیرا ممکن است با سرعت بسیار زیادی حرکت کنند.
فضاپیماها معمولاً برای محافظت در برابر برخورد زبالهها از «سپر ویپل» استفاده میکنند. این سپر از یک لایه بیرونی نازک تشکیل شده که بین آن و بدنه فضاپیما فاصله وجود دارد. این لایه طوری طراحی شده است که ذرات زباله ورودی را متلاشی و انرژی برخورد را روی سطح بزرگتری از بدنه پخش کند. سپرهای ویپل در طول دهههای گذشته بارها بهبود یافتهاند؛ از جمله طرحهایی با چندین لایه ضربهگیر یا طرحهایی که در فضای میان لایههای صلب آنها مادهای پرکننده قرار گرفته است.
نویسندگان مقاله جدید میخواستند مقاومت سپرهای ویپل را در برابر برخورد افزایش دهند. آنها با الهام از هندسه و ویژگیهای مکانیکی پوسته تخممرغ، طرحی شبیه به همان روشی که امکان راهرفتن روی جعبههای تخممرغ را فراهم میکند، توسعه دادند. گروه پژوهشی با چاپ سهبعدی، سه ساختار آلومینیومی متفاوت ساخت: صفحات ساده آلومینیومی، کرههای آلومینیومی پرشده با آب که میان صفحات آلومینیومی قرار گرفته بودند و ساختارهای پوستهتخممرغی پرشده با آب. سپس با شبیهسازیهای متعدد، برخوردهای اَبَرسریع را بررسی کردند تا مقاومترین طراحی را پیدا کنند و در ادامه، نمونههای چاپ سهبعدی خود را با استفاده از تفنگ گاز سبک آزمایش کردند.
ساختارهای پوستهتخممرغی پرشده با آب بهترین عملکرد را داشتند. این ساختارها توانستند بارهای زیادی را تحمل کنند و سرعت پرتابهها را تقریباً ۶۵ درصد کاهش دهند. در مقابل، استفاده از صفحات آلومینیومی ساده سرعت پرتابهها را فقط ۵۱ درصد کاهش داد. آب نقش مهمی در اتلاف انرژی برخورد دارد. هنگامی که آب داخل پوسته حرکت میکند، مانع از انتشار امواج ناشی از برخورد میشود و بخشی از انرژی ضربه را جذب میکند.
پژوهشگران همچنین پیکربندیهای مختلف پوستههای تخممرغی را آزمایش کردند و دریافتند مؤثرترین طراحی، ساختاری است که در آن تخممرغها بهصورت عمودی قرار گرفتهاند و نوک باریکشان با صفحه آلومینیومی بالایی تماس دارد. برای اصلاح این طراحی و افزایش توانایی ماده در جذب انرژی، آزمایشهای بیشتری لازم است؛ اما نتایج اولیه امیدوارکننده هستند. «یوکسین وانگ»، از دانشگاه فناوری دالیان چین و یکی از نویسندگان مقاله، میگوید: «یک پوسته تخممرغ منفرد در برابر نیروی موضعی بهآسانی میشکند، اما سازوکار محافظتی آرایه پوستههای تخممرغ کاملاً متفاوت است.»
به گفته وانگ، تغییر شکل هماهنگ واحدهای پوسته تخممرغ باعث میشود بار ناشی از برخورد موضعی به اتلاف انرژی گسترده در سراسر ساختار فراماده تبدیل شود و در نتیجه مقاومت صفحات هدف در برابر ضربه به میزان چشمگیری افزایش یابد. پژوهشگران امیدوارند این مطالعه توجه بیشتری را به ساختارهای محافظتی الهامگرفته از عناصر زیستی جلب کند. این پژوهش در نشریه Journal of Applied Physics منتشر شده است.
سوالات متداول
چرا زبالههای فضایی مشکلساز هستند؟
زبالههای فضایی میتوانند به فضاپیماها آسیب بزنند و خطرات جدی برای ماموریتهای فضایی ایجاد کنند.</p
