اختصاصی بسپار/ تسخیر آسمان ها با پلیمرها/ در صنعت هوافضا چه می گذرد؟

گروه ترجمه و تولید محتوا در بسپار/ایران پلیمر مواد مورد استفاده در فضا باید شرایط بسیار سخت موجود در فناوری هوافضا را تاب بیاورند: خلا، نوسانات شدید دمایی و تنش‌های مکانیکی به‌طور هم‌زمان بر اجزا و سازه‌ها وارد می‌شوند. روش‌های متداول آزمون به‌سرعت با محدودیت مواجه می‌شوند. سامانه آزمون NextSpace TestRig از دانشگاه گلاسگو، یک روش آزمون تازه توسعه‌یافته است که اکنون این شکاف را پر کرده است. این سامانه آزمون، که توسط آژانس فضایی بریتانیا تامین مالی شده و توسط Dr Gilles Bailet و تیم او طراحی گردیده، شبیه‌سازی‌های واقع‌گرایانه‌ای برای ارزیابی مواد و اجزا جهت استفاده در فضا فراهم می‌کند و همچنین محرکی جذاب برای کاربردهای زمینی به شمار می‌رود.

چرا آزمون‌های متداول مواد برای سفرهای فضایی کافی نیستند؟

دکتر Gilles Bailet، انگیزه شما برای توسعه سامانه آزمون NextSpace چه بود؟
صنعت هوافضا به‌سرعت در حال پذیرش مواد پیشرفته و ساخت افزایشی است، اما ما فاقد روش‌های آزمون واقع‌گرایانه‌ای هستیم که نشان دهد این مواد در محیط واقعی فضا چگونه رفتار می‌کنند. روش‌های متداول ارزیابی، اغلب شرایط شدید موجود در مدار یا روی سطح ماه را نادیده می‌گیرند  به‌ویژه اثرات ترکیبی خلا فوق‌العاده بالا و چرخه‌های حرارتی. سامانه NextSpace TestRig که با حمایت مالی آژانس فضایی بریتانیا توسعه یافته، برای پر کردن این شکاف طراحی شده است. هدف ما ایجاد یک بستری بود که قادر باشد شرایط مشابه فضا را همراه با اعمال بارگذاری مکانیکی شبیه‌سازی کند تا بتوانیم عملکرد مواد را در سناریوهای ماموریتی بهتر پیش‌بینی کنیم.
کدام شرایط خاص در سامانه NextSpace TestRig قابل شبیه‌سازی است   و چرا این شرایط برای آزمون مواد حیاتی هستند؟
سامانه آزمون ما، که در چارچوب NextSpace TestRig تعریف می‌شود، می‌تواند به‌طور هم‌زمان خلا فوق‌العاده بالا (~۱۰⁻⁶ میلی‌بار)، چرخه‌های حرارتی شدید (از ۱۰۰- تا ۲۰۰+ درجه سانتی‌گراد)، و آزمون مکانیکی در زمان واقعی (تا نیروی ۲۰۰۰۰ نیوتن) را شبیه‌سازی کند. این ترکیب بسیار حیاتی است، چرا که بسیاری از مواد  به‌ویژه پلاستیک‌ها و کامپوزیت‌ها  در چنین شرایطی دچار تغییرات قابل‌توجهی در استحکام شکست، سختی یا مکانیزم‌های وادادگی می‌شوند. در یکی از آزمون‌ها، ما کاهش ۴۳ درصدی در کرنش شکست یک پلیمر چاپ‌ سه‌بعدی (نایلون (PA12 را در شرایط خلا نسبت به شرایط محیطی مشاهده کردیم. چنین اثراتی در آزمایشگاه‌های معمولی قابل مشاهده نیستند، اما برای طراحی اجزای ایمن و قابل‌اطمینان در ماموریت‌های فضایی بسیار حیاتی‌اند.

پلیمرهای چاپ سه‌بعدی و مواد فلزی در مرکز آزمون‌های فضایی
چه نوع موادی یا پلاستیک‌ها یا اجزایی به‌طور معمول آزمون می‌شوند  و کاربرد آن‌ها در چیست؟
ما مجموعه‌ای از پلیمرهای ساخته‌شده مانند (PA12) را مورد آزمون قرار دادیم و اکنون به سمت آزمون مواد فلزی مانند اینکونل و آلیاژهای تیتانیوم پیش رفته ایم. این مواد معمولا در ساختارهای ماهواره‌ای، پایه‌های آنتن، اجزای کنترل حرارتی و قطعات مکانیکی سبک‌وزن استفاده می‌شوند. بسیاری از آزمون‌ها بر روی هندسه‌هایی با آمادگی پروازی (flight-ready geometries) متمرکز هستند تا به شرکت‌های فضایی در اصلاح داده‌های ارزیابی و کاهش طراحی بیش‌ازحد کمک کنند. همچنین ما با شرکای بین‌المللی که در حال بررسی استفاده در محل از منابع (ISRU) و چاپ سه‌بعدی با استفاده از مواد مشتق‌شده از رگولیت (Regolith) همکاری نزدیکی داریم.

ساخت افزایشی (Additive manufacturing) به‌عنوان فناوری کلیدی برای تولید مستقل در فضا
چاپ سه‌بعدی چه نقشی در زمینه مواد فضایی دارد، به‌ویژه در رابطه با تولید مستقل در فضا؟
چاپ سه‌بعدی یا ساخت افزایشی  در چشم‌انداز تولید مستقل در فضا (ISAM) قرار دارد. این فناوری امکان تولید اجزا را مستقیما در مدار یا روی ماه فراهم می‌کند و وابستگی به لجستیک پرهزینه و محدود زمین به فضا را کاهش می‌دهد. اما برای عملی شدن ISAM، باید اطمینان حاصل شود که مواد چاپ‌ سه بعدی در شرایط فضایی رفتار مورد انتظار را نشان می‌دهند. سامانه آزمون ما به فراهم کردن این اطمینان کمک می‌کند. همچنین از برنامه‌های پیش رو برای ارزیابی مکانیکی در محل پشتیبانی می‌کند، جایی که تجهیزات آزمون خود می‌توانند مینیاتوری شده و در مدار یا روی سطح ماه مستقر شوند تا ساختارها را در زمان واقعی اعتبارسنجی کنند.

انتقال یافته‌های سامانه آزمون به کاربردهای صنعتی روی زمین
چگونه می‌توان بینش‌های به‌دست‌آمده از سامانه آزمون را به کاربردهای صنعتی زمینی برای مثال در حوزه مواد با عملکرد بالا منتقل کرد؟
پتانسیل بالایی برای انتقال دانش حاصل از آزمون‌های مواد فضایی به صنایع زمینی با عملکرد بالا وجود دارد. برای مثال، صنایعی مانند هوافضا، هسته‌ای، دریا و انرژی نیز با شرایط مشابهی سروکار دارند  مانند گرمای شدید، خلا، پرتو، یا مواد شیمیایی مهاجم. روش‌های ما به تعیین چگونگی تخریب مواد در برابر تنش‌های ترکیبی کمک می‌کنند، که این موضوع برای اجزای حیاتی از نظر ایمنی یا تکنیک‌های جدید ساخت افزایشی اهمیت ویژه‌ای دارد. در حال حاضر، علاقه‌مندی‌هایی از سوی شرکای صنعتی در زمینه پلاستیک‌ها و کامپوزیت‌های نسل جدید برای کاربردهای سبک و حیاتی بر روی زمین مشاهده می‌کنیم.

سامانه‌های آزمون مینیاتوری‌شده برای استفاده در فضا
گام‌های بعدی چیست؟ آیا برنامه‌هایی برای کاربردها یا آزمون‌های خاص با مواد یا اجزای جدید وجود دارد؟
با تکیه بر موفقیت سامانه NextSpace TestRig، ما اکنون در حال برنامه‌ریزی برای مینیاتوری‌سازی این سامانه برای استفاده در مدار و در نهایت در سطح ماه هستیم. در همین حال، ما مشتاق حمایت از سایر فعالان این حوزه هستیم تا اطمینان حاصل کنیم که تولید در فضا (ISM) به فعالیتی ایمن و پایدار در سراسر صنعت تبدیل شود. چاپ سه‌بعدی ساختارهای کاربردی مانند آنتن‌ها و پنل‌های خورشیدی مستقیما در مدار گامی است که می‌تواند قابلیت‌های فضاپیماها و انعطاف‌پذیری ماموریت‌ها را به‌طور چشمگیری افزایش دهد.