Biseri za jače svemirske strukture

Biseri su izrađeni od iste osnovne tvari kao i kreda, odnosno od kalcijevog karbonata, no ne drobe se lako kao ona, već pokazuju izuzetnu čvrstoću.  Istraživači Imperial Collegea surađuju s ESA-om na proučavanju mikrostruktura ovih prirodno oblikovanih materijala kako bi proizveli čvršću keramiku otporniju na lomove za buduće svemirske misije.

"Prirodu možete zamisliti kao golemi laboratorij koji dugotrajno radi na razvoju kompozita od interesa za različite oblike života", komentira Eduardo Saiz, voditelj katedre za keramiku na Imperial Collegeu u Ujedinjenom Kraljevstvu.

"Sada su stvarni materijali koje priroda ima na raspolaganju za rad prilično ograničeni, u osnovi karbonati i silikati, ali proces evolucije ih usavršava kako bi bili što robusniji. Naša ideja je uzeti inspiraciju iz rezultata ovog prirodnog procesa i primijeniti isti pristup na materijale koji su već prilično čvrsti, kako bismo ih učinili još otpornijima."

Fokus projekta je na sedefu, materijalu od kojeg su izrađeni biseri i unutarnji slojevi školjki. Sedef sintetiziraju kamenice i dagnje kako bi okružile komadiće pijeska i druge neželjene iritanse, ili mekušci u obliku zaštitnog oklopa.

"Ovi biseri i školjke uglavnom se sastoje od kalcijevog karbonata, koji je isti materijal od kojeg se sastoji i kreda. Međutim, ti predmeti na kraju ispadnu puno jači od materijala koji se obično lako drobi. Razlog tome nalazi se u njihovoj mikrostrukturi. Sedef se temelji na dizajnu cigle i žbuke, s pločicama kalcijevog karbonata vezanim u elastičnu biopolimernu žbuku poput hitina i raznih proteina."

Međutim, međusobno povezane pločice ugrađene u njihovu elastičnu žbuku daju sedefu veliku čvrstoću i koheziju, dok inhibiraju širenje pukotina.

"Ovo je posebno zanimljivo za svemir u smislu keramike", objašnjava ESA inženjerka materijala Malgorzata Holynska. "Upotrebljavamo keramiku za proizvodnju dijelova svemirskih letjelica kao što su toplinski štitovi i strukturni dijelovi, ali oni su lomljiviji nego što bismo željeli, pa tražimo kako ih možemo poboljšati."

Za opeke, projektni tim se usredotočio na silicijev karbid (SiC). Spoj silicija i ugljika prvi je put sintetiziran u viktorijansko doba, u pokušaju izrade umjetnih dijamanata. To je rezultiralo jednim od najtvrđih poznatih materijala koji se koristio za izradu alata za rezanje, kočnica visokih performansi, pa čak i pancirnih prsluka.

SiC se također pokazao vrijednim u svemirskom sektoru. Njegova velika krutost u kombinaciji s relativnom neosjetljivošću na temperaturne promjene znači da se keramika koristila za zrcala svemirskih teleskopa, kao i strukturne elemente.

Profesor Saiz dodaje: "Ideja je poboljšati performanse SiC-a raspoređivanjem našeg materijala u strukturu od cigle i žbuke u stilu sedefa, s time da žbuka uključuje staklo otporno na temperaturu. Rezultat bi bio dodatno ojačani kompozit. Ovisno o tome kako je kompozit postavljen, također bismo mogli dodati anizotropne karakteristike, kako bismo ga učinili jačim duž određenih smjerova u materijalu."

Projekt je započeo prošle godine, s uzorcima sintetiziranim u laboratoriju Imperial Collegea i testiranim u Azimut Spaceu u Njemačkoj, u suradnji s Centrom za ispitivanje materijala u Coventryju u Velikoj Britaniji koji razmatra povećanje proizvodnih procesa.