5 آوریل 2023-© shutterstock/یاروسلاو نلیوبوف
راب آدلارد، بنیانگذار و مدیر عامل Gravitilab، نقش تحقیقات علم مواد در ریزگرانش را تشریح می کند.
علم مواد رشته‌ای است که به بررسی خواص و رفتار مواد مختلف از جمله فلزات، سرامیک‌ها، پلیمرها و کامپوزیت‌ها می‌پردازد. این زمینه برای مدت طولانی برای پیشرفت های تکنولوژیکی اساسی بوده است و به طور قابل توجهی دنیایی را که ما در آن زندگی می کنیم شکل داده است. با این حال، برای هدایت نوآوری، گاهی اوقات لازم است بررسی شود که چگونه مواد فراتر از محیط زمین عمل می کنند و رفتار آنها را در شرایط منحصر به فرد میکروگرانش بررسی کنیم.
ریزگرانش حالتی است که در آن اثرات گرانش تا حد زیادی کاهش می یابد و باعث می شود اجسام و افراد بی وزنی را تجربه کنند. این اغلب در فضا دیده می شود، جایی که فضانوردان و اشیاء شناور هستند زیرا تأثیر گرانش حداقل است. در زمین، ریزگرانش را می توان تحت شرایط خاصی شبیه سازی کرد، مانند پروازهای سهموی. در این پروازها، یک هواپیما یک سری مسیرهای سهموی بالا و پایین را دنبال می کند و در اوج هر منحنی، مسافران و اجسام داخل هواپیما حدود 20-30 ثانیه سقوط آزاد را تجربه می کنند و ریزگرانش ایجاد می کنند.
یکی دیگر از روش های نوظهور برای ایجاد ریزگرانش شامل استفاده از فناوری پیشرفته ای است که یک غلاف ویژه تثبیت شده را از یک وسیله نقلیه هوایی بدون خدمه (پهپاد) در یک ارتفاع خاص آزاد می کند. در طول فرود با قدرت و کنترل شده غلاف، شرایط ریزگرانش ایجاد می شود و این روشی مقرون به صرفه و در دسترس برای انجام تحقیقات و آزمایش ریزگرانش فراهم می کند. برای مدت طولانی‌تر ریزگرانش و دسترسی به محیط‌های فضایی، موشک‌های زیرمداری در حال توسعه هستند و برای تحویل محموله‌های بزرگ‌تری از مواد برای تحقیق و آزمایش استفاده می‌شوند.
ریزگرانش و محیط‌های فضایی ویژگی‌های متمایزی را نشان می‌دهند که بر مواد به روش‌هایی تأثیر می‌گذارند که نمی‌توانند در زمین بازتولید شوند. در این شرایط می‌توانیم رفتار مواد را به روش‌های جدید درک کنیم و از این دانش برای توسعه مواد و فناوری‌های کاملاً جدید استفاده کنیم. این امر فرصت‌های استثنایی را برای پیشرفت‌هایی فراهم می‌کند که می‌توانند صنایع را متحول کنند .
یکی از حوزه های علم مواد که به طور قابل توجهی تحت تأثیر دسترسی به ریزگرانش و محیط های فضایی قرار گرفته است، تولید مواد افزودنی است که معمولاً به عنوان چاپ سه بعدی شناخته می شود. پرینت سه بعدی فرآیندی نوآورانه برای ایجاد اجسام سه بعدی از مدل های دیجیتال با لایه بندی متوالی مواد است. فقدان اثرات فیزیکی ناشی از ریزگرانش در فضا، (به عنوان مثال شناور) تشکیل ساختارهای پیچیده تری را ممکن می سازد، زیرا مواد در معرض همان نیروهای گرانشی تجربه شده در زمین نیستند.
پتانسیل پرینت سه بعدی در محیط های ریزگرانشی اولین بار در سال 2018 نشان داده شد که اولین چاپگر سه بعدی به عنوان بخشی از تلاش مشترک بین ناسا و Made In Space، یک شرکت خصوصی، به ایستگاه فضایی بین المللی (ISS) فرستاده شد. این چاپگر قادر به تولید قطعات پلاستیکی، ابزار و لوازم پزشکی در شرایط ریزگرانش است. معرفی این فناوری در فضا پتانسیل ایجاد انقلابی در سفرهای فضایی را دارد و فضانوردان را قادر می‌سازد قطعات و ابزارهای جایگزین را در صورت تقاضا چاپ کنند و نیاز به ماموریت‌های تامین مجدد از زمین را به میزان قابل توجهی کاهش دهد.
پرینت سه بعدی در ریزگرانش همچنین پتانسیل توسعه مواد پیشرفته ای را ارائه می دهد که به طور خاص برای استفاده در فضا طراحی شده اند. این مواد می توانند خواص منحصر به فردی داشته باشند که در شرایط سخت فضا مفید هستند، مانند استحکام بهبود یافته، مقاومت حرارتی یا محافظت در برابر تشعشع.
حوزه دیگری که علم مواد عمیقاً تحت تأثیر ریزگرانش و محیط‌های فضایی قرار گرفته است، کشف و توسعه مواد جدید است. فضا مجموعه‌ای از چالش‌های منحصربه‌فرد را ارائه می‌کند، زیرا مواد در معرض دماهای شدید، تشعشع و سایر عوامل محیطی هستند که روی زمین وجود ندارند. این شرایط خارق‌العاده می‌تواند باعث ایجاد مواد جدیدی با خواص قابل توجهی شود که در شرایط زمینی غیرقابل دستیابی هستند.
یکی از این نمونه ها در سال 2016 زمانی رخ داد که محققان مرکز تحقیقات گلن ناسا ماده ای پیشگامانه به نام “سوپر سیاه” را کشف کردند. این ماده که 99 درصد نوری را که با آن در تماس است جذب می‌کند، با رشد نانولوله‌های کربنی روی سطحی در شرایط ریزگرانش ساخته شده است. ویژگی‌های منحصر به فرد سوپر سیاه در مجموعه‌ای از فناوری‌ها، مانند تلسکوپ‌های فضایی و سایر سیستم‌های تصویربرداری که به سطوح بالایی از جذب نور نیاز دارند، کاربرد دارد.
این کشف مواد جدید به توسعه کامپوزیت های پیشرفته گسترش می یابد. کامپوزیت ها موادی هستند که از دو یا چند جزء مجزا تشکیل شده اند که برای ایجاد یک ماده جدید با خواص افزایش یافته ترکیب شده اند. این مواد اغلب استحکام، دوام و مقاومت بهتری در برابر عوامل محیطی مختلف از خود نشان می دهند که آنها را کاندیدای ایده آل برای استفاده در محیط های چالش برانگیز مانند فضا می کند.
آزمایش کامپوزیت ها در شرایط فضایی منجر به پیشرفت های متعددی در توسعه کامپوزیت های پیشرفته شده است که به طور خاص برای استفاده در اکتشاف فضا و کاربردهای مرتبط طراحی شده اند. یک مثال قابل توجه در سال 2017 زمانی رخ داد که محققان مرکز تحقیقات گلن ناسا یک ماده کامپوزیتی جدید ساخته شده از نانولوله های کربنی و اپوکسی را توسعه دادند. این ماده نوآورانه دارای استحکامی ده برابر بیشتر از فولاد است، در حالی که تنها کسری از جرم خود را وزن می کند.
در نهایت، ریزگرانش و محیط های فضایی ثابت کرده اند که در مطالعه مواد در سطح اتمی و مولکولی بسیار ارزشمند هستند. در فضا، مواد را می توان بدون تداخل گرانش زمین مطالعه کرد، که معمولاً بر رفتار اتم ها و مولکول ها تأثیر می گذارد. این منجر به درک عمیق‌تر خواص اساسی مواد، شامل ویژگی‌های مکانیکی، حرارتی و الکتریکی آنها شده و راه را برای کاربردها و اکتشافات نوآورانه هموار می‌کند.
به عنوان مثال، در سال 2018، محققان آژانس فضایی اروپا از میکروگرانش برای بررسی رفتار کلوئیدها، که ذرات ریز معلق در یک مایع هستند، استفاده کردند. این مطالعه نشان داد که رفتار کلوئیدها در ریزگرانش به طور قابل توجهی با رفتار آنها در زمین متفاوت است. این یافته به بینش جدیدی در مورد رفتار مواد در سطح اتمی و مولکولی منجر شد و راه‌های جدیدی را برای اکتشاف و کاربردهای بالقوه باز کرد. علاوه بر این، مطالعه مواد در ریزگرانش به پیشرفت‌هایی در زمینه‌هایی مانند بیوتکنولوژی و داروسازی کمک کرده است. به عنوان مثال، محققان توانسته‌اند مشاهده کنند که چگونه پروتئین‌ها در ریزگرانش متبلور می‌شوند، که منجر به توسعه سیستم‌های بهتر دارورسانی و درمان‌های موثرتر برای بیماری‌های مختلف شده است.
در نهایت، مطالعه علم مواد در ریزگرانش مرزهای جدیدی را باز می‌کند، آینده فناوری را نوآوری می‌کند و کیفیت زندگی روی زمین را بهبود می‌بخشد. بررسی رفتار مواد تحت ریزگرانش منجر به اکتشافات پیشگامانه بیشتری در چاپ سه بعدی، مواد جدید، کامپوزیت های پیشرفته و علوم اتمی و مولکولی می شود.
با این حال، موفقیت تحقیقات علم مواد در ریزگرانش به همکاری قوی بین آژانس‌های فضایی، دانشگاه‌ها و صنعت بستگی دارد. سیاستگذاران و قانونگذاران باید اهمیت تحقیقات ریزگرانشی را بشناسند و از سیاست‌های تقویت نوآوری در این زمینه حمایت کنند. سرمایه‌گذاری و بودجه برای طرح‌های تحقیقاتی ریزگرانش باید در اولویت قرار گیرد تا از پیشرفت‌های مستمر در علم مواد اطمینان حاصل شود. با پشتیبانی مناسب، تحقیقات ریزگرانش نیروی محرکه در پشت اکتشافات و کاربردهای جدید با پتانسیل انقلابی باقی خواهد ماند.
