جامعة داليان تبتكر تصميمًا مستوحى من قشرة البيضة لتوفير حل جديد لحماية المركبات الفضائية

وفقًا للتقارير، قد يتم قريبًا استخدام تصميم مستوحى من قشرة البيضة لحماية المركبات الفضائية من الاصطدامات عالية السرعة في المدار. طور باحثون من جامعة داليان للتكنولوجيا تصميمًا خفيف الوزن فائق المواد يعتمد على "قشرة البيضة" للحماية من الحطام الفضائي. ومع زيادة عمليات الإطلاق، يتحول المدار تدريجيًا إلى مكب نفايات. حاليًا، هناك ما يقرب من مليون قطعة من المعادن والطلاء وأجزاء الصواريخ المكسورة التي يزيد قطرها عن سنتيمتر واحد تعبر المدار الأرضي بسرعة هائلة. حتى القطع الصغيرة من الحطام، إذا اصطدمت بسرعة عشرات الآلاف من الأميال في الساعة، يمكن أن تولد قوة تفجيرية تعادل قوة قنبلة يدوية، مما يهدد الأقمار الصناعية الحيوية والتلسكوبات الفضائية باهظة الثمن ومحطات الفضاء المأهولة.

أمضى المهندسون عقودًا في البحث عن دروع أخف وأقوى لمقاومة هذه الرصاصات الكونية، والإجابة قد تكمن في قشرة البيضة.

تصميم وبنية قشرة البيضة

اقترح فريق داليان نظام حماية للمركبات الفضائية يعتمد على نموذج قشرة البيضة. قاموا بإنتاج مصفوفات من قشور بيض الألمنيوم المجوفة باستخدام تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد، ووضعوها بين لوحين معدنيين للصدمات. يمتص هذا التصميم موجات الصدمة القوية التي قد تؤدي إلى تحطيم الدروع التقليدية. قال المؤلف وانغ يو شين: "تظهر الهياكل البيولوجية الطبيعية، بعد التكيف طويل الأمد، أداءً ممتازًا في امتصاص الطاقة."

قد يبدو مفهوم التخميد السائل غير عملي. إن البيضة معروفة بهشاشتها، فهي تنكسر بسهولة إذا لامست سطحًا. ومع ذلك، فقد صممتها الطبيعة كتحفة هندسية. عندما يتم تنظيمها في مصفوفة، تشكل بنية مدهشة من الصلابة. قام الباحثون بوضع قشور بيض الألمنيوم المملوءة بالماء، مع توجيه الجانب المسطح لأسفل، بين لوحين. يوزع هذا التصميم قوة الصدمة على كامل النظام. والنتيجة هي أن كل قشرة بيضة تنهار بالتتابع، مما يؤدي إلى امتصاص الطاقة الحركية وتبديدها تدريجيًا. يقول وانغ: "القشرة الفردية تنكسر بسهولة تحت قوة موضعية، لكن آلية الحماية لمصفوفة القشور مختلفة تمامًا."

إن التشوه التعاوني لهذه الوحدات الشبيهة بالقشرة يحول حمل الصدمة الموضعي إلى تبديد الطاقة الموزعة في المادة الفائقة، مما يعزز بشكل كبير من مقاومة الهدف للصدمات.

تحسين المواد لتعزيز الحماية

إن إضافة الماء داخل قشور بيض الألمنيوم يعزز من أداء الدرع بشكل أكبر. في الاصطدامات عالية السرعة، تتدحرج السوائل المحتبسة داخل القشرة، مما يخفف من انتشار موجات الصدمة اللاحقة. لتقييم هذا التصميم، أجرى الباحثون اختبارات محاكاة الطباعة ثلاثية الأبعاد، وقارنوا بين الألواح الصلبة من الألمنيوم، والكرات المملوءة بالماء، والمادة الفائقة لقشرة البيضة. أظهر هيكل قشرة البيضة المملوء بالماء أفضل أداء بين جميع التصاميم، حيث قلّل من سرعة المقذوفات بنسبة تقارب 65%، بينما بلغت نسبة تقليل الألواح الصلبة من الألمنيوم 51%. لتحقيق أفضل النتائج، يتم وضع قشور البيضة بشكل مستقيم، مع توجيه الطرف العلوي نحو اللوح العلوي.

يقول وانغ: "توضح هذه الدراسة أن المواد الخفيفة الوزن المستوحاة من البيولوجيا هي حل واعد للحماية من الاصطدامات عالية السرعة. نأمل أن تلفت هذه الدراسة انتباه المزيد من الناس إلى هياكل الحماية المستوحاة من البيولوجيا." ومع ذلك، فإن هذه المادة ليست جاهزة بعد لوضعها على منصات الإطلاق. يعمل الفريق بنشاط على تحسين سمك الغلاف المعدني، والتخطيط، ونسبة العرض إلى الارتفاع، لتحقيق أقصى قدر من الحماية مع تقليل الوزن إلى الحد الأدنى، وهو أمر بالغ الأهمية لوزن الحمولة على الصاروخ. يمكن أن يمنع ذلك من حدوث متلازمة كيسلر، وهي تفاعل متسلسل خطير عندما تؤدي الاصطدامات بين الأجسام الفضائية إلى توليد آلاف الشظايا عالية السرعة، مما يؤدي إلى اصطدام هذه الشظايا الجديدة بالأقمار الصناعية والصواريخ الأخرى، مما يولد شظايا إضافية بسرعة تتجاوز معدل التخلص منها بفعل مقاومة الغلاف الجوي.

إذا تم اعتماد هذا النهج المستوحى من البيولوجيا، فقد يصبح درعًا غير مرئي لحماية أعظم المساعي الفضائية البشرية من الحلقة المميتة من الحطام التي تحيط بالأرض.

تم نشر نتائج هذه الدراسة في 8 سبتمبر في مجلة الفيزياء التطبيقية.

إمكانيات التصميم المستوحى من البيولوجيا في حماية الفضاء

أظهرت أبحاث جامعة داليان إمكانيات التصميم المستوحى من البيولوجيا في حماية الفضاء، خاصة في مواجهة مشكلة الحطام الفضائي المتزايدة. ومع تزايد الأنشطة الفضائية، أصبح الطلب على حماية المركبات الفضائية من الاصطدامات عالية السرعة أكثر إلحاحًا. لا يستطيع تصميم قشرة البيضة امتصاص الصدمات بشكل فعال فحسب، بل يعزز الأداء أيضًا من خلال التخميد السائل. قد يوفر نجاح هذه الدراسة حلاً جديدًا لأمن المركبات الفضائية في المستقبل، ويجذب المزيد من الاهتمام للمواد المستوحاة من البيولوجيا، مما يعزز تطوير وتطبيق التقنيات ذات الصلة.