- 大連理工大學研發基於蛋殼的超材料設計，保護航天器免受太空垃圾撞擊。
- 新設計利用3D打印技術製作空心鋁蛋殼，有效吸收強烈沖擊波。
- 充水的蛋殼結構在撞擊測試中表現最佳，減緩彈丸速度達近65%。
- 研究團隊正改進材料設計，以最大化保護並最小化重量，防止Kessler綜合症。
據報導，受蛋殼啟發的設計可能很快將用於保護航天器免受高速軌道碰撞。來自大連理工大學的研究人員開發了一種基於「蛋殼」的生物啟發輕量級超材料設計，以保護航天器免受太空垃圾的撞擊。隨著發射次數的增加，軌道逐漸變成了一個垃圾場。目前，近一百萬個直徑大於一釐米的金屬、油漆和破碎火箭部件正以極高的速度穿過地球的軌道。即使是微小的碎片，若以每小時數萬英里的速度撞擊，亦可產生如手榴彈般的爆炸力量，威脅著關鍵衞星、昂貴的太空望遠鏡和有人居住的空間站。
工程師們已花費數十年時間尋找更輕、更耐用的裝甲來抵禦這些宇宙子彈，而答案可能就在蛋殼中。
蛋殼結構的設計與性能
大連團隊提出了一種以蛋殼為模型的航天器保護系統。他們通過 3D 打印技術製作了空心鋁蛋殼的陣列，並將其夾在兩塊金屬衝擊板之間。這種設計有效地吸收了強烈的沖擊波，否則這些沖擊波會使傳統裝甲破碎。作者王宇欣表示：「自然生物結構經過長期適應，展現出出色的能量吸收性能。」
液體阻尼的概念聽起來似乎不切實際。蛋以其脆弱而著稱，輕輕一碰便會在櫃枱上破裂。然而，自然界將蛋的形狀設計得如幾何藝術品一般。將它們組織成陣列，形成了一種出乎意料的堅固結構。研究人員將充滿水的鋁蛋殼鈍面朝下放置於兩塊板之間。這種設計將衝擊力分散至整個系統。結果是，每個蛋殼會依次崩潰，逐漸吸收並散發動能。王表示：「單一的蛋殼在局部力量下容易破裂，但蛋殼陣列的保護機制完全不同。
這些蛋殼單元的協同變形將局部衝擊負載轉化為在超材料中分佈的能量耗散，顯著增強了目標板的抗衝擊性能。」
改進材料以提升防護
在鋁蛋殼內部加入水進一步提升了裝甲的性能。在高速碰撞中，困住的液體會在內部翻滾，減輕後續的衝擊波傳播。為了評估該設計，研究人員進行了 3D 打印測試及模擬，並比較了實心鋁板、充水鋁球和蛋殼超材料。充水的蛋殼結構在所有設計中表現最佳，減緩撞擊彈丸的速度近 65%，而實心鋁板則僅為 51%。將蛋殼直立放置，尖端朝向上板，可以獲得最佳效果。
王表示：「這項工作表明，仿生輕量級超材料是一個有前景的高速碰撞防護方案。我們希望這項研究能引起更多人對生物啟發保護結構的關注。」然而，這種材料尚未準備好投入發射台。團隊正積極改進金屬殼的厚度、佈局及長寬比，以在最大化保護的同時最小化重量，這對火箭載荷至關重要。這可以防止 Kessler 綜合症的發生，Kessler 綜合症是一種危險的連鎖反應，當太空物體之間的碰撞產生數千個高速碎片時，這些新碎片會撞擊其他衞星和火箭，生成更多的碎片，速度超過大氣阻力的消除速度。
如果這種受生物啟發的方法被採用，它可能成為保護人類最偉大的宇宙事業免受環繞地球的致命垃圾光環的無形盾牌。
這些研究成果已於 9 月 8 日發表於《應用物理學期刊》。
生物啟發設計對航天防護的潛力
大連理工大學的研究展示了生物啟發設計在航天防護中的潛力，特別是針對日益嚴重的太空垃圾問題。隨著太空活動的增加，保護航天器免受高速碰撞的需求愈加迫切。蛋殼結構的設計不僅能有效吸收衝擊，還能透過液體阻尼進一步提升性能。這項研究的成功，可能為未來航天器的安全性提供新的解決方案，並引起更多對生物啟發材料的關注，推動相關技術的發展與應用。