Φανταστείτε ότι οδηγείτε στη δουλειά σας μια βροχερή μέρα όταν ένας αποσπασμένος, απερίσκεπτος οδηγός χτυπά το αυτοκίνητό σας από το πουθενά. Κατά τη διάρκεια μιας «μπουμ», ένας αερόσακος ανοίγει γρηγορότερα από ό,τι μπορείτε να αναβοσβήσετε, σώζοντάς σας τη ζωή.
Αυτός ο αερόσακος άνοιξε γρήγορα χάρη σε ένα υλικό υψηλής ενέργειας που ονομάζεται αζίδιο του νατρίου, το οποίο παράγει αέριο άζωτο κατά τη διάρκεια μιας χημικής αντίδρασης για να φουσκώσει ο αερόσακος σας. Τι είναι όμως ένα ενεργειακό υλικό;
Τα ενεργειακά υλικά περιλαμβάνουν καύσιμα, πυροτεχνήματα, προωθητικά και εκρηκτικά και χρησιμοποιούνται σε μεγάλη ποικιλία περιβαλλόντων.
Οι χρήσεις ενεργητικών υλικών περιλαμβάνουν φωτοβολίδες, σπίρτα, συμπαγείς ενισχυτές πυραύλων, προωθητικά όπλων, συγκόλληση με θερμό θερμίτη για τη σύντηξη υλικών μεταξύ τους, πυροτεχνήματα και τα εκρηκτικά ειδικά εφέ στην αγαπημένη σας ταινία δράσης.
Τα ενεργειακά υλικά έχουν πολλά σχήματα και μεγέθη, αλλά συχνά είναι σε στερεά μορφή και απελευθερώνουν πολλή ενέργεια με την καύση ή την έκρηξη, ανάλογα με τη μορφή τους και τις συνθήκες υπό τις οποίες χρησιμοποιούνται.
Είμαι καθηγητής μηχανολογίας και ασχολούμαι με ενεργειακά υλικά. Η δημιουργία ενεργητικών υλικών δεν είναι εύκολη, αλλά οι εξελίξεις στην τρισδιάστατη εκτύπωση θα μπορούσαν να κάνουν την προσαρμογή ευκολότερη, επιτρέποντας παράλληλα περισσότερες πιθανές επιστημονικές εφαρμογές.
Ο ρόλος της γεωμετρίας
Το πώς κατασκευάζονται τα ενεργειακά υλικά επηρεάζει τις μορφές που έρχονται και πώς απελευθερώνουν ενέργεια με την πάροδο του χρόνου. Για παράδειγμα, τα στερεά προωθητικά πυραύλων φτιάχνονται σαν ένα κέικ, όπου ένας επεξεργαστής τροφίμων ανακατεύει τη «ζύμη», φτιαγμένη κυρίως από υπερχλωρικό αμμώνιο, αλουμίνιο και ένα ελαστικό συνδετικό υλικό, πριν τη ρίξει σε ένα τηγάνι. Το «κέικ» στερεοποιείται στο ταψί καθώς ψήνεται στο φούρνο.
Συνήθως, τα προωθητικά πυραύλων έχουν κυλινδρικό σχήμα, αλλά με μια ράβδο στη μέση. Η ράβδος έχει συχνά ένα συγκεκριμένο σχήμα διατομής, όπως ένας κύκλος ή ένα αστέρι. Όταν το προωθητικό στερεοποιείται, η ράβδος αφαιρείται, αφήνοντας πίσω το σχήμα του πυρήνα.
Το σχήμα του πυρήνα επηρεάζει τον τρόπο που καίγεται το προωθητικό, το οποίο μπορεί να επηρεάσει την ώθηση του κινητήρα στον οποίο χρησιμοποιείται. Αλλάζοντας απλώς το κεντρικό σχήμα του προωθητικού, μπορείτε να επιταχύνετε, να επιβραδύνετε ή να διατηρήσετε την ταχύτητα για έναν κινητήρα για μεγάλο χρονικό διάστημα.
Ωστόσο, αυτή η παραδοσιακή διαδικασία «ψησίματος κέικ» περιορίζει τα σχήματα που μπορείτε να φτιάξετε. Πρέπει να μπορείτε να αφαιρέσετε τη ράβδο αφού στερεοποιηθεί το προωθητικό. Έτσι, εάν το σχήμα της ράβδου είναι πολύ περίπλοκο, το προωθητικό μπορεί να σπάσει, κάτι που μπορεί να προκαλέσει ακανόνιστη καύση.
Ο σχεδιασμός μορφών καυσίμου που κάνουν τους πυραύλους να πετούν πιο γρήγορα ή μακρύτερα είναι ένας ενεργός τομέας έρευνας, αλλά οι μηχανικοί χρειάζονται νέες μεθόδους κατασκευής για να δημιουργήσουν αυτά τα ολοένα και πιο περίπλοκα σχέδια.
Τρισδιάστατη εκτύπωση στη διάσωση
Η τρισδιάστατη εκτύπωση έχει φέρει επανάσταση στην κατασκευή με πολλούς τρόπους και ερευνητές όπως εγώ προσπαθούν να καταλάβουν πώς μπορεί να βελτιώσει την απόδοση των ενεργειακών υλικών. Η τρισδιάστατη εκτύπωση χρησιμοποιεί έναν εκτυπωτή για την εφαρμογή υλικού στρώμα προς στρώμα για τη δημιουργία ενός αντικειμένου.
Η τρισδιάστατη εκτύπωση σάς επιτρέπει να δημιουργείτε προσαρμοσμένα σχήματα, να εκτυπώνετε πολλούς τύπους υλικών σε ένα μέρος και να εξοικονομείτε χρήματα και υλικά.
Ωστόσο, η τρισδιάστατη εκτύπωση ενεργειακών υλικών είναι πρόκληση για διάφορους λόγους. Ορισμένα ενεργειακά υλικά είναι πολύ παχύρρευστα, πράγμα που σημαίνει ότι είναι πολύ δύσκολο να πιέσετε αυτό το μείγμα από ένα σωλήνα με ένα μικρό ακροφύσιο. Φανταστείτε να πιέζετε πηλό από μια μικρή σύριγγα – το υλικό είναι πολύ παχύ για να μετακινηθεί εύκολα μέσα από τη μικρή τρύπα.
Επιπλέον, οι ενεργητικές ουσίες μπορεί να είναι επικίνδυνες εάν χρησιμοποιούνται ακατάλληλα. Μπορούν να αναφλεγούν εάν παράγεται υπερβολική θερμότητα κατά τη διαδικασία κατασκευής ή αποθήκευσης ή εάν υποστούν στατικό ηλεκτροπληξία.
Τωρινή πρόοδος
Ωστόσο, οι ερευνητές έχουν κάνει μεγάλα βήματα στην αντιμετώπιση ορισμένων από αυτές τις προκλήσεις την τελευταία δεκαετία. Για παράδειγμα, οι επιστήμονες διαθέτουν τρισδιάστατα εκτυπωμένα αντιδραστικά μελάνια σε ηλεκτρονικές συσκευές για να μπορούν να αυτοκαταστραφούν εάν πέσουν σε λάθος χέρια.
Θεωρητικά, θα μπορούσατε επίσης να εκτυπώσετε στρατηγικά 3D αυτά τα μελάνια σε παλιούς δορυφόρους ή στον γηρασμένο Διεθνή Διαστημικό Σταθμό, διασπώντας αυτές τις συσκευές σε τροχιά σε αρκετά μικρά συντρίμμια ώστε να καούν στην ατμόσφαιρα πριν πέσουν στο έδαφος.
Πολλοί ερευνητές εργάζονται για την τρισδιάστατη εκτύπωση καυσίμων όπλων. Η αλλαγή του σχήματος των προωθητικών όπλων θα μπορούσε να δημιουργήσει βλήματα που μπορούν να ταξιδέψουν περαιτέρω.
Άλλοι προσπάθησαν να χρησιμοποιήσουν τρισδιάστατη εκτύπωση για να μειώσουν τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις των καυσίμων όπλων και των πυροκροτητών, που απαιτούν σκληρούς διαλύτες για να παραχθούν. Αυτοί οι διαλύτες δεν είναι ασφαλείς, είναι δύσκολο να απορριφθούν και μπορούν να βλάψουν το περιβάλλον και την ανθρώπινη υγεία.
Έχω δείξει ότι είναι δυνατή η τρισδιάστατη εκτύπωση στερεών προωθητικών πυραύλων με παρόμοιες ιδιότητες με τα συμβατικά προωθητικά. Με αυτήν την έρευνα, έχουμε τώρα την ευκαιρία να εξερευνήσουμε πώς καίγονται καύσιμα που παράγονται από πολλαπλά υλικά, που είναι νέο έδαφος.
Για παράδειγμα, αντί να χρησιμοποιήσετε μια ράβδο για να δημιουργήσετε ένα σχήμα διατομής σε ένα καύσιμο, θα μπορούσατε να εκτυπώσετε τρισδιάστατα ένα εξαιρετικά αντιδραστικό υλικό και να το προσθέσετε στο κέντρο. Αντί να χρειαστεί να αφαιρέσετε το υλικό του πυρήνα, θα μπορούσατε να το κάψετε τόσο γρήγορα ώστε να παραμείνει ένα σχήμα πυρήνα. Το αντιδραστικό υλικό θα πρόσθετε επίσης ενέργεια στο καύσιμο. Αυτό θα εξαλείφει την ανάγκη χρήσης και αφαίρεσης μιας ράβδου για την κατασκευή ενός κεντρικού πυρήνα.
Ενώ μεγάλο μέρος αυτής της έρευνας είναι ακόμα σε αρχικό στάδιο, εταιρείες όπως η X-Bow έχουν εκτυπωμένα 3D προωθητικά και πραγματοποίησαν επιτυχημένες δοκιμές πτήσης με αυτούς τους κινητήρες.
Τέλος, αρκετοί ερευνητές έχουν μελετήσει πώς εκρήγνυνται τα τρισδιάστατα εκτυπωμένα εκρηκτικά. Όταν τα εκρηκτικά εκτυπώνονται σε ένα πλέγμα που μοιάζει με πλέγμα, αντιδρούν διαφορετικά όταν οι πόροι τους γεμίζουν με αέρα ή νερό. Αυτή η διαδικασία δημιουργεί ένα ασφαλέστερο «εναλλασσόμενο» εκρηκτικό που αντιδρά μόνο όταν τοποθετηθεί σε ένα συγκεκριμένο περιβάλλον.
Η τρισδιάστατη εκτύπωση ενεργειακών υλικών είναι ακόμα ένα νέο πεδίο. Οι επιστήμονες έχουν ακόμη πολύ δρόμο μπροστά μας για να καταλάβουμε πλήρως πώς η τρισδιάστατη εκτύπωση επηρεάζει την ασφάλεια και την απόδοσή τους. Αλλά κάθε μέρα, επιστήμονες σαν εμένα βρίσκουν νέους τρόπους να χρησιμοποιούν τρισδιάστατες εκτυπωμένες ενέργειες για σημαντικούς και μερικές φορές σωτήριους σκοπούς.
Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύτηκε από το The Conversation, έναν μη κερδοσκοπικό, ανεξάρτητο ειδησεογραφικό οργανισμό που σας φέρνει γεγονότα και αξιόπιστες αναλύσεις για να σας βοηθήσει να κατανοήσετε τον περίπλοκο κόσμο μας. Το έγραψε: Monique McClain, Πανεπιστήμιο Purdue
Διαβάστε περισσότερα:
Η Monique McClain λαμβάνει χρηματοδότηση από το Γραφείο Επιστημονικής Έρευνας της Πολεμικής Αεροπορίας (AFOSR), το Γραφείο Ερευνών Στρατού (ARO) και την Εθνική Υπηρεσία Αεροναυπηγικής και Διαστήματος (NASA).