大連理工大学が卵殻構造を研究開発、宇宙船の保護に新たなソリューションを提供

報道によると、卵殻に着想を得た設計が、まもなく宇宙船を高速軌道衝突から保護するために使用される可能性がある。大連理工大学（Dalian University of Technology）の研究チームは、「卵殻」に基づくバイオインスパイアード軽量超材料設計を開発し、宇宙ゴミの衝突から宇宙船を保護することを目的としている。打ち上げ回数の増加に伴い、軌道は徐々にゴミ捨て場と化している。現在、直径1センチメートルを超える金属、塗料、壊れたロケット部品が約100万個、地球の軌道を猛スピードで通過している。たとえ小さな破片であっても、時速数万マイルの速度で衝突すれば、手榴弾のような爆発力を生み出し、重要な衛星、高価な宇宙望遠鏡、そして有人宇宙ステーションに脅威をもたらす。 エンジニアたちは数十年にわたり、これらの宇宙の弾丸に対抗するためのより軽く、より耐久性のある装甲を求めてきたが、その答えは卵殻の中に見出すかもしれない。

卵殻構造の設計と性能

大連チームによって提案された宇宙船保護システムは、卵殻をモデルにしている。彼らは3Dプリント技術を用いて中空のアルミ卵殻のアレイを作成し、それを2枚の金属衝撃板の間に挟んだ。この設計は、従来の装甲を砕くであろう強力な衝撃波を効果的に吸収する。著者の王宇欣（Wang Yuxin）氏は、「自然生物構造は長期間の適応を経て、優れたエネルギー吸収性能を発揮する」と述べている。 液体の減衰という概念は非現実的に聞こえるかもしれない。卵はその脆さで知られており、軽く触れただけでカウンターの表面に割れてしまう。しかし、自然界は卵の形状を幾何学の芸術作品のように設計している。それらを配列に組織することで、意外にも頑丈な構造が形成される。研究者は、水を満たしたアルミ卵殻を鈍面を下にして2枚の板の間に配置した。この設計は衝撃力をシステム全体に分散させる。その結果、各卵殻が順番に崩壊し、運動エネルギーを徐々に吸収し、消散させる。王氏は、「単一の卵殻は局所的な力の下では簡単に割れるが、卵殻アレイの保護メカニズムは全く異なる」と説明する。 これらの卵殻ユニットの協調的な変形は、局所的な衝撃負荷を超材料中に分散したエネルギー消散に変換し、ターゲットプレートの耐衝撃性能を大幅に向上させる。

材料改良による保護性能の向上

アルミ卵殻内部に水を加えることで、装甲の性能がさらに向上した。高速衝突では、閉じ込められた液体が内部で回転し、後続の衝撃波の伝播を軽減する。この設計を評価するために、研究チームは3Dプリントテストとシミュレーションを行い、実体のアルミ板、水を満たしたアルミ球、卵殻超材料を比較した。水を満たした卵殻構造は、すべての設計の中で最も優れた性能を示し、衝突する弾丸の速度を約65％減少させ、実体のアルミ板の51％を上回った。卵殻を直立させ、先端を上板に向けると、最良の結果が得られた。 王氏は、「この研究は、バイオインスパイアード軽量超材料が高速衝突保護のための有望なソリューションであることを示している。この研究がバイオインスパイアード保護構造に対するより多くの関心を喚起することを望む」と語る。しかし、この材料はまだ発射台に投入する準備が整っていない。チームは、金属殻の厚さ、レイアウト、長さ対幅の比率を改良し、保護を最大化しつつ重量を最小化することに積極的に取り組んでいる。これは、ロケットのペイロードにとって非常に重要である。これにより、ケスラーシンドロームを防ぐことができる。ケスラーシンドロームとは、宇宙物体間の衝突によって数千個の高速破片が発生し、これらの新しい破片が他の衛星やロケットに衝突してさらに多くの破片を生成し、大気抵抗の除去速度を超える速度で連鎖反応を引き起こす危険な現象である。 このバイオインスパイアードアプローチが採用されれば、それは地球を周回する致命的なゴミの輪から人類最大の宇宙事業を守る無形の盾となるかもしれない。 これらの研究成果は、9月8日に『応用物理学ジャーナル』に掲載された。

バイオインスパイアードデザインが宇宙防衛にもたらす可能性

大連理工大学（Dalian University of Technology）の研究は、バイオインスパイアードデザインが宇宙防衛における可能性を秘めていることを示しており、特に深刻化する宇宙ゴミ問題に対してである。宇宙活動の増加に伴い、高速衝突から宇宙船を保護する必要性がますます高まっている。卵殻構造の設計は、衝撃を効果的に吸収するだけでなく、液体減衰によってさらに性能を向上させる。この研究が成功すれば、将来の宇宙船の安全性に新たなソリューションを提供し、バイオインスパイアード材料に対するより多くの関心を喚起し、関連技術の進歩と応用を促進する可能性がある。