ดาหลินเทคโนโลยีมหาวิทยาลัยพัฒนาสภาพแวดล้อมโครงสร้างเปลือกไข่ เสนอแผนป้องกันอวกาศยานใหม่

รายงานว่า แบบออกแบบที่ได้รับแรงบันดาลใจจากเปลือกไข่อาจใช้ในการป้องกันอวกาศยานจากการชนกันด้วยความเร็วสูงในวงโคจรได้ในเร็ววันนี้ ทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยดาหลินเทคโนโลยีได้พัฒนาแบบออกแบบของโมเดลซูเปอร์เมเตอร์แบบเบาที่ได้รับแรงบันดาลใจจาก "เปลือกไข่" เพื่อป้องกันอวกาศยานจากการชนกับขยะอวกาศ เมื่อจำนวนการส่งอวกาศยานเพิ่มขึ้น วงโคจรของโลกกำลังกลายเป็นที่เก็บขยะอย่างรวดเร็ว ในปัจจุบัน มีกว่า 1 ล้านชิ้นของโลหะ สี และชิ้นส่วนจากจรวดที่ถูกแตกตัวอยู่ในวงโคจรของโลก ที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงมหาศาล แม้แต่ชิ้นส่วนเล็กๆ ที่ชนกันด้วยความเร็วหลายหมื่นไมล์ต่อชั่วโมง ก็สามารถสร้างแรงระเบิดเทียบเท่ากับระเบิดมือได้ ซึ่งเป็นอันตรายต่อดาวเทียมสำคัญ ทำเนียบอวกาศที่มีราคาแพง และสถานีอวกาศที่มนุษย์อาศัยอยู่

วิศวกรได้ใช้เวลาหลายทศวรรษในการหาอาวุธป้องกันที่เบาที่สุดและทนทานที่สุดเพื่อต้านทานการชนกันของอวกาศยานเหล่านี้ และคำตอบอาจอยู่ในเปลือกไข่

การออกแบบและประสิทธิภาพของโครงสร้างเปลือกไข่

ทีมจากดาหลินได้เสนอระบบป้องกันอวกาศยานที่ใช้เปลือกไข่เป็นแบบออกแบบ โดยใช้เทคโนโลยีพิมพ์ 3D ในการสร้างแถวของเปลือกไข่อลูมิเนียมโดยมีช่องว่างภายใน และวางมันไว้ระหว่างแผ่นโลหะที่ชักชนกัน การออกแบบนี้ดูดซับคลื่นกระแทกที่แรงได้อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งอาจทำให้อาวุธป้องกันแบบดั้งเดิมแตกหัก ผู้เขียนหยางยูซินกล่าวว่า "โครงสร้างทางชีวภาพผ่านการปรับตัวเป็นเวลานาน แสดงความสามารถในการดูดซับพลังงานที่ยอดเยี่ยม"

แนวคิดของการชะลอพลังงานด้วยของเหลวดูเหมือนไม่เป็นจริง ไข่มีชื่อว่าเปราะบาง แต่การแตะเบาๆ ก็ทำให้มันแตกบนผิวพื้น แต่ธรรมชาติได้ออกแบบรูปร่างของไข่ให้เป็นงานศิลปะทางเรขาคึกฤทธิ์ เมื่อจัดเป็นแถว ก็สร้างเป็นโครงสร้างที่แข็งแรงอย่างไม่คาดฝัน ทีมวิจัยวางเปลือกไข่อลูมิเนียมที่มีน้ำภายในให้ตั้งอยู่ด้านปลายแหลมลูกไข่ไว้ระหว่างแผ่นทั้งสอง การออกแบบนี้จะกระจายแรงกระแทกไปทั่วระบบ ผลลัพธ์คือ แต่ละเปลือกไข่จะแตกตามลำดับ และดูดซับและสะสมพลังงานจลน์ไปเรื่อยๆ หยางกล่าวว่า "เปลือกไข่เพียงลูกเดียวจะแตกง่ายเมื่อมีแรงกระแทกท้องถิ่น แต่กลไกป้องกันของแถวเปลือกไข่นั้นแตกต่างอย่างสิ้นเชิง"

การแตกตัวร่วมกันของหน่วยเปลือกไข่เหล่านี้จะแปลงแรงกระแทกท้องถิ่นให้เป็นพลังงานที่แพร่กระจายไปในซูเปอร์เมเตอร์ ทำให้ความสามารถในการต้านทานการชนกันของแผ่นเป้าหมายเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ

การปรับปรุงวัสดุเพื่อเพิ่มการป้องกัน

การเพิ่มน้ำลงในเปลือกไข่อลูมิเนียมได้เพิ่มประสิทธิภาพของอาวุธป้องกันให้สูงขึ้น ในการชนกันด้วยความเร็วสูง ของเหลวที่ติดกับอยู่ภายในจะพลิกตี้นภายใน และลดการแพร่ขยายของคลื่นกระแทกต่อมา เพื่อประเมินการออกแบบนี้ ทีมวิจัยได้ทำการทดสอบและจำลองพิมพ์ 3D และเปรียบเทียบแผ่นอลูมิเนียมแท้ ลูกบอลอลูมิเนียมที่มีน้ำ และซูเปอร์เมเตอร์เปลือกไข่ การออกแบบเปลือกไข่ที่มีน้ำในตัว แสดงความสามารถในการชะลอความเร็วของวัตถุยิงได้ถึง 65% ในขณะที่แผ่นอลูมิเนียมแท้เพียง 51% การวางเปลือกไข่ให้ตั้งตรง และปลายแหลมชี้ขึ้นไปยังแผ่นบน เป็นวิธีที่ให้ผลดีที่สุด

หยางกล่าวว่า "การทำงานนี้แสดงว่า ซูเปอร์เมเตอร์แบบเบาที่ได้รับแรงบันดาลใจจากชีวภาพเป็นแนวทางที่มีแนวโน้มที่จะป้องกันการชนกันด้วยความเร็วสูง เราหวังว่าการวิจัยนี้จะทำให้มีคนมากขึ้นที่สนใจการป้องกันโครงสร้างที่ได้รับแรงบันดาลใจจากชีวภาพ" แต่วัสดุนี้ยังไม่พร้อมที่จะนำไปใช้ในการส่งอวกาศยาน ทีมกำลังปรับปรุงความหนา การจัดวาง และอัตราส่วนความยาวกว้างของเปลือกโลหะเพื่อให้ได้การป้องกันสูงสุด และน้ำหนักต่ำสุด ซึ่งสำคัญมากสำหรับการบรรทุกของในจรวด นี่สามารถป้องกันการเกิดภาวะ Kessler ซึ่งเป็นการเกิดปฏิกิริยาต่อเนื่องที่อันตราย เมื่อการชนกันของวัตถุในอวกาศสร้างชิ้นส่วนที่มีความเร็วสูงหลายพันชิ้น และชิ้นส่วนใหม่เหล่านั้นจะชนกับดาวเทียมและจรวดอื่นๆ และสร้างชิ้นส่วนเพิ่มขึ้น โดยความเร็วที่เกินกว่าการลบล้างของตลาดต่างๆ

ถ้าวิธีที่ได้รับแรงบันดาลใจจากชีวภาพนี้ถูกนำมาใช้ มันอาจกลายเป็นโล่ที่ไม่มีรูปร่างที่ป้องกันสิ่งที่สำคัญที่สุดของมนุษย์จากวงแหวนขยะที่โล่งๆ ที่โล่งอยู่รอบโลก

ผลการวิจัยนี้ได้ถูกตีพิมพ์ใน "วารสารฟิสิกส์ประยุกต์" เมื่อวันที่ 8 กันยายน

ศักยภาพของการออกแบบที่ได้รับแรงบันดาลใจจากชีวภาพในการป้องกันอวกาศ

การวิจัยของมหาวิทยาลัยดาหลินเทคโนโลยีแสดงศักยภาพของการออกแบบที่ได้รับแรงบันดาลใจจากชีวภาพในการป้องกันอวกาศ โดยเฉพาะอย่างยิ่งต่อปัญหาขยะอวกาศที่ทวีความรุนแรงขึ้น เมื่อการกิจการในอวกาศเพิ่มขึ้น ความต้องการในการป้องกันอวกาศยานจากการชนกันด้วยความเร็วสูงมีความเร่งขึ้น โครงสร้างเปลือกไข่ไม่เพียงแต่ดูดซับการกระแทกได้อย่างมีประสิทธิภาพ แต่ยังเพิ่มประสิทธิภาพด้วยการชะลอพลังงานของของเหลว แผลงผลของการวิจัยนี้อาจให้คำตอบใหม่ในการป้องกันอวกาศยานในอนาคต และทำให้มีคนมากขึ้นที่สนใจวัสดุที่ได้รับแรงบันดาลใจจากชีวภาพ และผลักดันให้มีการพัฒนาและนำไปใช้ของเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้อง