ابداع یک «پلیمر خودترمیم» برای محافظت از ماهواره‌ها در برابر زباله‌های فضایی

به گزارش ایسنا، زباله‌های فضایی با سرعتی فراتر از گلوله در اطراف زمین پرواز می‌کنند. اکنون دانشمندان برای محافظت از ماهواره‌ها یک ماده جدید توسعه داده‌اند، زیرا زباله‌های فضایی تبدیل به یک مشکل بزرگ شده‌اند.

بین سال‌های ۲۰۱۹ و ۲۰۲۳، ماهواره‌های «استارلینک اسپیس‌ایکس»(SpaceX’s Starlink) بیش از ۵۰ هزار مانور در ارتباط با اجتناب از برخورد در «مدار پایین زمین»(LEO) انجام دادند. در این مدار، اشیاء با سرعت تقریبی ۸ کیلومتر در ثانیه پرواز می‌کنند.

به نقل آی‌ای، دانشمندان با دشوارتر شدن اجتناب از برخورد، به شکلی فزاینده به دنبال روش‌های جایگزین برای مقابله با مشکل زباله‌های فضایی هستند.

یک گروه از دانشمندان علم مواد در «دانشگاه تگزاس ای‌اندام»(A&M) پلیمری با خاصیت خودترمیمی منحصر به فرد توسعه داده‌اند.

 هنگامی که این ماده مورد اصابت زباله‌های فضایی قرار می‌گیرد، به اندازه‌ای خود را کِش می‌دهد که به جسم اجازه عبور می‌دهد، بدون اینکه آسیب ساختاری عمده‌ای ایجاد کند.

یک ماده فضایی منحصر به فرد

این تیم، ماده خود را به دلیل شبکه‌های پیوند کووالانسی دینامیکی که می‌توانند شکسته و دوباره تشکیل شوند، «پلیمر دیلز-آلدر»(DAP) نامیدند.

دانشمندان گفتند: در حالی که شبکه‌های «دیلز-آلدر» دیگری در متون علمی گزارش شده‌اند، ماده « DAP» جدید دارای شیمی خاص، «جای‌شناسی»(topology ) و کیفیت خودترمیمی است.

ساختار « DAP» از زنجیره‌های پلیمری بلند تشکیل شده است که حاوی پیوندهای دوگانه کربن هستند. این پیوندها در اثر حرارت و نیروی زیاد شکسته می‌شوند، اما هنگام سرد شدن به سرعت دوباره تشکیل می‌شوند.

این تیم معتقد است که این ماده جدید پتانسیل زیادی برای کاربردهای فضایی دارد. شایان ذکر است که آنها فقط در محیط آزمایشگاهی در مقیاس نانو آزمایشات خود را انجام داده‌اند.

دکتر «سوتلانا سوخیشویلی»( Svetlana Sukhishvili)، استاد گروه علوم و مهندسی مواد «دانشگاه تگزاس ای‌اندام»، گفت: این اولین بار است که یک ماده در هر مقیاسی این رفتار را نشان می‌دهد.

دکتر «ادوین توماس»( Edwin Thomas)، استاد علوم و مهندسی مواد، ادامه داد: علاوه بر اینکه این پلیمر جدید بسیار جالب است، احتمالاً کاربردهای زیادی مانند مقاوم‌تر کردن پنجره‌های وسایل نقلیه فضایی در برابر هجوم ریزشهاب‌ها خواهد داشت.

کاربردهای فضایی و نظامی

این تیم در تحقیقات خود به دنبال توسعه ماده‌ای بود که بتواند از سازه‌هایی مانند ماهواره‌های مداری و وسایل نقلیه فضایی در برابر ریزشهاب‌ها و زباله‌های فضایی محافظت کند. آنها پس از آزمایشات متعدد روی این ماده، متوجه شدند که می‌توان از آن برای ساخت زره و سایر کاربردهای نظامی روی زمین نیز استفاده کرد.

«توماس» گفت: پلیمرها، به ویژه مواد « DAP»، مواد شگفت‌انگیزی هستند، زیرا در دماهای پایین، سفت و قوی هستند و در دماهای بالاتر کشسان می‌شوند. این مواد در دماهای بسیار بالاتر به یک مایع روان تبدیل می‌شوند. این یک دامنه وسیع از رفتار خواص است.

این تیم پلیمر خود را در معرض نوع جدید و پیشرفته‌ای از آزمایش بالستیک موسوم به « LIPIT » قرار دادند. در این آزمایش، یک جسم کوچک از جنس سیلیکا با قطر ۳/۷ میکرومتر با استفاده از لیزر به سمت پلیمر هدف پرتاب می‌شود. این فرآیند با استفاده از یک دوربین فوق‌سریع ثبت شد.

یک پلیمر خودترمیم

در ابتدا، دانشمندان تصور کردند که ممکن است جسم پرتاب‌شده در طول آزمایش به پلیمر برخورد نکرده باشد، زیرا هیچ حفره‌ای مشاهده نکردند. در واقع، آنها موفق به کشف خواص خودترمیمی این مواد شدند.

این تیم دریافتند که نوار پلیمری جامد جدید آنها هنگام برخورد با یک جسم پرسرعت پرتاب شده توسط لیزر ذوب می‌شود. پس از برخورد، خنک می‌شود و به شکل اصلی خود بازمی‌گردد.

طبق بیانیه این تیم، این پلیمر بخش زیادی از انرژی جنبشی تولید شده توسط جسم پرتاب‌شده را جذب می‌کند و باعث می‌شود که نوار کشیده شده و به مایع تبدیل شود. جسم پرتاب‌شده به مسیر خود ادامه می‌دهد و در نهایت حفره‌ای را در نوار ایجاد می‌کند.

 سپس پلیمر به سرعت خنک می‌شود. پیوندهای کووالانسی آن دوباره تشکیل می‌شوند و به حالت جامد اولیه خود بازمی‌گردد و یک حفره کوچک باقی می‌گذارد.

محققان یافته‌های خود را یک کشف هیجان‌انگیز توصیف می‌کنند و تأکید می‌کنند که آنها فقط « DAP» را در مقیاس نانو آزمایش کرده‌اند. ماده آنها ممکن است در مقیاس ماکرو رفتار بسیار متفاوتی داشته باشد، به این معنی که تحقیقات بیشتری لازم است.

این یافته‌ها در مجله Materials Today منتشر شده است.