Китайские ученые создали алюминиевую защиту для космических аппаратов по образцу яичной скорлупы

Китайские исследователи разработали новый материал для защиты космических аппаратов от космического мусора, вдохновленный яичной скорлупой. Согласно статье, опубликованной в Journal of Applied Physics, 3D-печатные алюминиевые структуры, заполненные водой, показали высокую эффективность при имитации гиперскоростных ударов. Работа принадлежит группе ученых из Даляньского технологического университета.

Проблема космического мусора

Проблема космического мусора становится все более острой. В 2007 году фрагмент мусора пробил радиатор космического шаттла Endeavour, оставив отверстие диаметром около 5,5 мм на входе и вдвое больше на выходе. С тех пор количество спутников и других объектов на орбите только растет, увеличивая риск столкновений.

По оценкам NASA, в околоземном пространстве находится около 34 000 объектов крупнее 10 см, примерно 900 000 объектов размером от 1 до 10 см и около 128 миллионов частиц меньше 1 см. Даже мелкие частицы могут нанести серьезный ущерб из-за высоких скоростей.

Яичная скорлупа как источник вдохновения

Яичная скорлупа давно привлекает внимание ученых благодаря своим механическим свойствам. Еще в 2012 году исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) показали связь между овальной формой яйца и его жесткостью. В 1950-х и 1960-х годах аэрокосмическая промышленность использовала яичную скорлупу как модель для анализа разрушения металлических оболочек самолетов.

Структура яичной скорлупы, состоящая из кристаллов карбоната кальция в белковой матрице и подкрепленная тонкой коллагеновой мембраной, обеспечивает высокую трещиностойкость. Это свойство вдохновило ученых на создание защитных структур для космических аппаратов.

Эксперименты с алюминиевыми панелями

Исследователи из Даляньского технологического университета разработали три типа алюминиевых панелей: простые алюминиевые пластины, алюминиевые сферы, заполненные водой, и структуры в форме яичной скорлупы, заполненные водой. Все образцы были изготовлены с помощью 3D-печати.

Ученые провели симуляции гиперскоростных ударов и эксперименты с использованием легкогазовой пушки. Результаты показали, что панели с водяными сферами в форме яичной скорлупы оказались наиболее эффективными: они снижали скорость снарядов почти на 65%, тогда как простые алюминиевые пластины — только на 51%.

Вода играет ключевую роль в рассеивании энергии удара, предотвращая распространение ударных волн. Наиболее эффективной оказалась конфигурация с яйцами, расположенными вертикально, узким концом вверх, контактирующим с верхней алюминиевой пластиной.

Перспективы и дальнейшие исследования

Авторы отмечают, что необходимы дополнительные эксперименты для улучшения энергопоглощения материала. Соавтор исследования Юсинь Ван из Даляньского технологического университета пояснил: «Одиночная яичная скорлупа легко ломается под локальным воздействием, но механизм защиты массива яичной скорлупы совершенно иной. Совместная деформация этих элементов превращает локальную ударную нагрузку в распределенное рассеивание энергии по всей метаструктуре, что значительно повышает ударопрочность целевых пластин».

Работа опубликована в Journal of Applied Physics с DOI: 10.1063/5.0324502. Информация об исследовании первоначально появилась в издании Ars Technica.

Что это значит

Разработка китайских ученых предлагает новый подход к защите космических аппаратов от мусора. Хотя до практического применения еще далеко, результаты показывают, что биоинспирированные структуры могут быть эффективнее традиционных решений. Это может стимулировать дальнейшие исследования в области защитных материалов для космической отрасли.