ამას წინათ, ვისადილე ჩემს ძველ თანაკლასელთან, რომელიც კოსმოსური მასალების კვლევის ინსტიტუტში მუშაობს. ვისაუბრეთ მათ უახლეს პროექტებზე და მან იდუმალებით მითხრა: „იცით, ახლა ყველაზე მეტად რომელი ახალი მასალა გვაინტერესებს? შეიძლება არ დაიჯეროთ - ეს არის ის ფხვნილი, რომელიც წვრილი მწვანე ქვიშას ჰგავს“. ჩემი გაკვირვებული გამომეტყველების დანახვისას, გაიღიმა და დაამატა: „მწვანე სილიციუმის კარბიდის მიკროფხვნილი„გსმენიათ ამის შესახებ? შესაძლოა, ეს ნივთიერება აერონავტიკის სფეროში მცირე რევოლუციას მოახდენდეს“. სიმართლე გითხრათ, თავიდან სკეპტიკურად ვიყავი განწყობილი: როგორ შეიძლებოდა ეს აბრაზიული მასალა, რომელიც ხშირად გამოიყენება სახეხ ბორბლებსა და საჭრელ დისკებში, დაკავშირებული ყოფილიყო დახვეწილ აერონავტიკულ ინდუსტრიასთან? თუმცა, როგორც მან ამიხსნა, მივხვდი, რომ ეს გაცილებით მეტი იყო, ვიდრე მეგონა. დღეს მოდით, ამ თემაზე ვისაუბროთ.
I. ამ „პერსპექტიული მასალის“ გაცნობა
მწვანე სილიციუმის კარბიდი არსებითად სილიციუმის კარბიდის (SiC) სახეობაა. ჩვეულებრივ შავ სილიციუმის კარბიდთან შედარებით, მას უფრო მაღალი სისუფთავე და ნაკლები მინარევები აქვს, აქედან გამომდინარეობს მისი უნიკალური ღია მწვანე ფერი. რაც შეეხება იმას, თუ რატომ არის ის „მიკროფხვნილი“, ეს გულისხმობს მის ძალიან მცირე ნაწილაკების ზომას, ჩვეულებრივ, რამდენიმე მიკრომეტრიდან ათეულ მიკრომეტრამდე - ადამიანის თმის დიამეტრის დაახლოებით მეათედიდან ნახევარამდე. „ნუ მოგატყუებთ მისი ამჟამინდელი გამოყენება აბრაზიულ ინდუსტრიაში“, - თქვა ჩემმა თანაკლასელმა, - „მას სინამდვილეში აქვს შესანიშნავი თვისებები: მაღალი სიმტკიცე, მაღალი ტემპერატურისადმი მდგრადობა, ქიმიური სტაბილურობა და თერმული გაფართოების დაბალი კოეფიციენტი. ეს მახასიათებლები პრაქტიკულად აერონავტიკის სფეროსთვისაა შექმნილი“.
მოგვიანებით, გარკვეული კვლევა ჩავატარე და აღმოვაჩინე, რომ ეს მართლაც ასე იყო. მწვანე სილიციუმის კარბიდი სიმტკიცით მეორე ადგილზეა მხოლოდ ბრილიანტისა და კუბური ბორის ნიტრიდის შემდეგ; ჰაერში მას შეუძლია გაუძლოს დაახლოებით 1600°C მაღალ ტემპერატურას დაჟანგვის გარეშე; ხოლო მისი თერმული გაფართოების კოეფიციენტი ჩვეულებრივი ლითონების მხოლოდ ერთი მეოთხედიდან ერთ მესამედამდეა. ეს რიცხვები შეიძლება ცოტა არასერიოზულად მოგეჩვენოთ, მაგრამ აერონავტიკის სფეროში, სადაც მასალების მუშაობის მოთხოვნები უკიდურესად მკაცრია, ყველა პარამეტრს შეუძლია უდიდესი ღირებულების მოტანა.
II. წონის დაკლება: კოსმოსური ხომალდის მარადიული დევნა
„აერონავტიკისთვის წონის შემცირება ყოველთვის მთავარია“, - თქვა მან.აერონავტიკაინჟინერმა მითხრა. „დაზოგილი წონის ყოველი კილოგრამი საწვავის მნიშვნელოვან რაოდენობას დაზოგავს ან ტვირთამწეობას გაზრდის“. ტრადიციულმა ლითონის მასალებმა წონის შემცირების თვალსაზრისით უკვე მიაღწიეს თავის ზღვრულ ზღვარს, ამიტომ ყველას ყურადღება ბუნებრივად კერამიკულ მასალებზეა გადატანილი. მწვანე სილიციუმის კარბიდით გამაგრებული კერამიკული მატრიცული კომპოზიტები ერთ-ერთი ყველაზე პერსპექტიული კანდიდატია. ამ მასალებს, როგორც წესი, მხოლოდ 3.0-3.2 გრამის სიმკვრივე აქვთ კუბურ სანტიმეტრზე, რაც მნიშვნელოვნად მსუბუქია, ვიდრე ფოლადი (7.8 გრამი კუბურ სანტიმეტრზე) და ასევე აშკარა უპირატესობას გვთავაზობს ტიტანის შენადნობებთან შედარებით (4.5 გრამი კუბურ სანტიმეტრზე). რაც მთავარია, ის ინარჩუნებს საკმარის სიმტკიცეს წონის შემცირების პარალელურად.
„ჩვენ ვიკვლევთ მწვანე სილიციუმის კარბიდის კომპოზიტების გამოყენებას ძრავის კორპუსებისთვის“, - განაცხადა აერონავტიკის ძრავის დიზაინერმა. „ტრადიციული მასალების გამოყენების შემთხვევაში, ეს კომპონენტი 200 კილოგრამს იწონიდა, მაგრამ ახალი კომპოზიტური მასალით მისი დაახლოებით 130 კილოგრამამდე შემცირებაა შესაძლებელი. მთელი ძრავისთვის ეს 70 კილოგრამიანი შემცირება მნიშვნელოვანია“. უფრო მეტიც, წონის შემცირების ეფექტი კასკადურია. მსუბუქი სტრუქტურული კომპონენტები საშუალებას იძლევა შესაბამისი წონის შემცირება საყრდენ სტრუქტურებში, დომინოს ეფექტის მსგავსად. კვლევებმა აჩვენა, რომ კოსმოსურ ხომალდებში სტრუქტურული კომპონენტის წონის 1 კილოგრამით შემცირებამ საბოლოოდ შეიძლება გამოიწვიოს სისტემის დონის წონის 5-10 კილოგრამით შემცირება.
III. მაღალი ტემპერატურისადმი მდგრადობა: ძრავების „სტაბილიზატორი“
აეროძრავების მუშაობის ტემპერატურა მუდმივად იზრდება; თანამედროვე ტურბოვენტილატორიან ძრავებში ტურბინის შესასვლელი ტემპერატურა ამჟამად 1700°C-ს აღემატება. ამ ტემპერატურაზე, მაღალი ტემპერატურისადმი მდგრადი შენადნობების უმეტესობაც კი იწყებს ცვეთას. „ძრავის ცხელი სექციის კომპონენტები ამჟამად მასალების მუშაობის ზღვარს სცილდება“, - თქვა ჩემმა თანაკლასელმა კვლევითი ინსტიტუტიდან. „სასწრაფოდ გვჭირდება მასალები, რომლებსაც შეუძლიათ სტაბილურად მუშაობა კიდევ უფრო მაღალ ტემპერატურაზე“. მწვანე სილიციუმის კარბიდის კომპოზიტებს შეუძლიათ გადამწყვეტი როლის შესრულება ამ სფეროში. სუფთა სილიციუმის კარბიდს შეუძლია გაუძლოს 2500°C-ზე მაღალ ტემპერატურას ინერტულ გარემოში, თუმცა ჰაერში დაჟანგვა მის გამოყენებას დაახლოებით 1600°C-მდე ზღუდავს. თუმცა, ეს მაინც 300-400°C-ით მეტია, ვიდრე მაღალი ტემპერატურისადმი მდგრადი შენადნობების უმეტესობა.
უფრო მნიშვნელოვანია ის, რომ ის მაღალ სიმტკიცეს ინარჩუნებს მაღალ ტემპერატურაზეც. „ლითონის მასალები მაღალ ტემპერატურაზე „რბილდება“, რაც მნიშვნელოვან ცოცვას ავლენს“, - განმარტა მასალების ტესტირების ინჟინერმა. „თუმცა, სილიციუმის კარბიდის კომპოზიტებს შეუძლიათ ოთახის ტემპერატურის სიმტკიცის 70%-ზე მეტის შენარჩუნება 1200°C-ზე, რაც ლითონის მასალებისთვის ძალიან რთულია“. ამჟამად, ზოგიერთი კვლევითი ინსტიტუტი ცდილობს გამოიყენოსმწვანე სილიციუმის კარბიდიკომპოზიტები ისეთი არამბრუნავი კომპონენტების წარმოებისთვის, როგორიცაა საქშენის მიმმართველი ფრთები და წვის კამერის ლაინერები. თუ ეს აპლიკაციები წარმატებით განხორციელდება, მოსალოდნელია, რომ ძრავების ბიძგი და ეფექტურობა კიდევ უფრო გაუმჯობესდება. IV. თერმული მართვა: სითბოს „დამორჩილება“
კოსმოსური ხომალდები კოსმოსში ექსტრემალურ თერმულ გარემოში ხვდებიან: მზისკენ მიმართულ მხარეს ტემპერატურა შეიძლება 100°C-ს აღემატებოდეს, ხოლო დაჩრდილულ მხარეს -100°C-ზე დაბლა დაეცეს. ეს უზარმაზარი ტემპერატურული სხვაობა სერიოზულ გამოწვევას უქმნის მასალებსა და აღჭურვილობას. მწვანე სილიციუმის კარბიდს აქვს ძალიან სასურველი მახასიათებელი - შესანიშნავი თბოგამტარობა. მისი თბოგამტარობა 1.5-3-ჯერ აღემატება ჩვეულებრივ ლითონებს და 10-ჯერ მეტს, ვიდრე ჩვეულებრივ კერამიკულ მასალებს. ეს ნიშნავს, რომ მას შეუძლია სწრაფად გადაიტანოს სითბო ცხელი ადგილებიდან ცივ ადგილებში, რაც ამცირებს ლოკალიზებულ გადახურებას. „ჩვენ განვიხილავთ მწვანე სილიციუმის კარბიდის კომპოზიტების გამოყენებას თანამგზავრების თერმული კონტროლის სისტემებში“, - თქვა აერონავტიკის დიზაინერმა, - „მაგალითად, როგორც თბოგამტარი მილების გარსაცმები ან როგორც თბოგამტარი სუბსტრატები, რათა მთელი სისტემის ტემპერატურა უფრო ერთგვაროვანი გახდეს“.
გარდა ამისა, მისი თერმული გაფართოების კოეფიციენტი ძალიან მცირეა, მხოლოდ დაახლოებით 4×10⁻⁶/℃, რაც ალუმინის შენადნობის კოეფიციენტის დაახლოებით ერთი მეხუთედია. მისი ზომა თითქმის უცვლელი რჩება ტემპერატურის ცვლილებების დროს, რაც განსაკუთრებით ღირებულია კოსმოსურ ოპტიკურ სისტემებსა და ანტენის სისტემებში, რომლებიც ზუსტ განლაგებას საჭიროებენ. „წარმოიდგინეთ“, - მაგალითად მოიყვანა დიზაინერმა, - „ორბიტაზე მომუშავე დიდი ანტენა, რომლის ტემპერატურული სხვაობა მზისკენ მიმართულ და დაჩრდილულ მხარეებს შორის ასობით გრადუსი ცელსიუსია. თუ ტრადიციული მასალები გამოიყენება, თერმულმა გაფართოებამ და შეკუმშვამ შეიძლება გამოიწვიოს სტრუქტურული დეფორმაცია, რაც გავლენას მოახდენს მიმართვის სიზუსტეზე. თუ დაბალი გაფართოების მწვანე სილიციუმის კარბიდის კომპოზიტურ მასალებს ვიყენებთ, ეს პრობლემა მნიშვნელოვნად შემსუბუქდება“.
V. ფარულობა და დაცვა: მეტი, ვიდრე უბრალოდ „გამძლეობა“
თანამედროვე აერონავტიკულ აპარატებს სულ უფრო მეტი მოთხოვნა აქვთ ფარული მუშაობის შესრულებაზე. რადარის ფარული მუშაობა ძირითადად მიიღწევა ფორმის დიზაინისა და რადარის შთამნთქმელი მასალების გამოყენებით, ხოლო მწვანე სილიციუმის კარბიდს ასევე აქვს კონტროლირებადი პოტენციალი ამ სფეროში. „სუფთა სილიციუმის კარბიდი ნახევარგამტარია და მისი ელექტრული თვისებების რეგულირება შესაძლებელია დოპინგის საშუალებით“, - წარმოადგინა ფუნქციური მასალების ექსპერტმა. „ჩვენ შეგვიძლია შევქმნათ სილიციუმის კარბიდის კომპოზიტური მასალები სპეციფიკური წინაღობით, რათა შთანთქას რადარის ტალღები გარკვეულ სიხშირის დიაპაზონში“. მიუხედავად იმისა, რომ ეს ასპექტი ჯერ კიდევ კვლევის ეტაპზეა, ზოგიერთმა ლაბორატორიამ უკვე შექმნა სილიციუმის კარბიდზე დაფუძნებული კომპოზიტური მასალის ნიმუშები, რომლებსაც აქვთ კარგი რადარის შთამნთქმელი მუშაობა X-დიაპაზონში (8-12 გჰც).
სივრცის დაცვის თვალსაზრისით, სიმტკიცის უპირატესობამწვანე სილიციუმის კარბიდიასევე აშკარაა. კოსმოსში დიდი რაოდენობით მიკრომეტეოროიდები და კოსმოსური ნარჩენებია. მიუხედავად იმისა, რომ თითოეული მათგანის მასა ძალიან მცირეა, მათი სიჩქარე უკიდურესად მაღალია (წამში ათობით კილომეტრამდე), რაც იწვევს ძალიან მაღალ დარტყმის ენერგიას. „ჩვენი ექსპერიმენტები აჩვენებს, რომ მწვანე სილიციუმის კარბიდის კომპოზიტურ მასალებს 3-5-ჯერ მეტი წინააღმდეგობა აქვთ მაღალსიჩქარიანი ნაწილაკების დარტყმის მიმართ, იმავე სისქის ალუმინის შენადნობებთან შედარებით“, - თქვა კოსმოსური დაცვის მკვლევარმა. „თუ მომავალში გამოყენებული იქნება კოსმოსური სადგურების ან ღრმა კოსმოსური ზონდების დამცავ ფენებში, მას შეუძლია მნიშვნელოვნად გააუმჯობესოს უსაფრთხოება“.
აერონავტიკის განვითარების ისტორია, გარკვეულწილად, მასალების პროგრესის ისტორიაა. ხისა და ტილოდან დაწყებული ალუმინის შენადნობებით, შემდეგ კი ტიტანის შენადნობებითა და კომპოზიტური მასალებით დამთავრებული, მასალის თითოეულმა ინოვაციამ თვითმფრინავების მუშაობაში ნახტომი გამოიწვია. შესაძლოა, მწვანე სილიციუმის კარბიდის ფხვნილი და მისი კომპოზიტური მასალები შემდეგი წინსვლის ერთ-ერთი მნიშვნელოვანი მამოძრავებელი ძალა იყოს. ის მასალათმცოდნეები, რომლებიც გულმოდგინედ იკვლევენ ლაბორატორიებში და ქარხნებში სრულყოფილებისკენ ისწრაფვიან, შესაძლოა, ჩუმად ცვლიან ცის მომავალს. ხოლო მწვანე სილიციუმის კარბიდი, ეს ერთი შეხედვით ჩვეულებრივი მასალა, შესაძლოა, მათ ხელში „ჯადოსნური ფხვნილი“ იყოს, რომელიც კაცობრიობას უფრო მაღლა, უფრო შორს და უფრო უსაფრთხოდ ფრენაში დაეხმარება.