ساخت آلیاژهای معلق در هوا در ایستگاه فضایی بین المللی

پژوهش‌های فضایی فارغ از هزینه‌های هنگفتی که بسیاری از ما حتی قادر به تصور آن هم نیستیم، در بسیاری از موارد به آن چنان حالت فانتزی و پیشرفته‌ای در می‌آیند که گاهی از محدوده‌ی تخیل ما نیز فراتر می‌رود. هم اکنون محققان فضایی در حال طراحی و ساخت آزمایشگاهی هستند که بتواند ساز و کار‌های موثر بر خواص فلزات را تحت جاذبه‌ی صفر بررسی کنند. ایستگاه بین المللی فضایی ISS هم اکنون در حال آماده شدن برای انجام پژوهش‌های صنعتی است که آزمایشگاه علوم مواد ESA سفارش آن را داده است و در طی آن می‌خواهند روش ریخته گری آلیاژ‌های را در محیط بی وزنی مورد آزمایش قرار دهند.

بیشتر فلزاتی که ما با آن‌ها سر وکار داریم حالتی بلورین دارند و بیشتر خواص آن‌ها نیز از این حالت بلورین یا به عبارت دقیق تر از ریزساختار آن‌ها ناشی می‌شود. به عنوان مثالی که ما هر روزه با آن سر وکار داریم می‌توان چاقوهای استیلی را در نظر گرفت برای ساخت این چاقوها آن‌ها را در دمای بسیار بالا به حالت گداخته در آورده و سپس با قرار دادن در آب سرد به سرعت سرد می‌کنند، این عمل به آن‌ها اجازه می‌دهد تا ضمن کنترل ریزساختار استیل بتوانند گوشه‌های بسیار تیز چاقو را در آن به وجود بیاورند.

این مثال هر چند بسیار ساده به نظر می‌رسد ولی سازوکار پشت آن واقعا –در این مورد دقت کنید- پیچیده است. این مورد هنگامی که ریخته گری و قالب گیری داریم بازهم پیچیده تر می‌شود. تفاوت در دما و دانسیته منجر به نیروهای همرفتی می‌شود که البته عوامل بسیار زیادی در آن دخیل هستند. به خصوص در مورد فلزات نامتعارف این مورد پیچیده تر و ناشناخته تر است و در حقیقت کنترل آن‌ها نوعی هنر و مرز علم محسوب می‌شود.

استفاده از جاذبه‌ی پایین یکی از راه‌هایی است که می‌تواند در کنار گذاشتن این پیچیدگی‌ها به ما کمک کند، بنابراین دانشمندان می‌توانند اثر سایر عوامل و سازوکارهای موثر را بهتر ببینند. در نبود جاذبه هیچ نیروی همرفتی در اینجا نقشی ندارد بنابراین فلز می‌تواند در دمای ثابتی ریخته‌گری شود. ضمنا باید توجه داشت که در شرایط جاذبه‌ی صفر می‌توان فلزات را با استفاده از میدان‌های مغناطیسی معلق کرد و ضمنا می‌توان آن‌ها را با پیچه‌های رسانا گرم کرد در نتیجه‌ی این عمل می‌توان بسیاری از عوامل مداخله گر دیگر را نیز حذف کرد و دیگر نگرانی‌هایی همچون چسبیدن فلز به بدنه‌ی بوته‌ی ذوب یا آلودگی ناشی از بدنه بوته را از لیست عوامل حذف کرد.

دانشمندان امیدوارند که بتوانند با استفاده از این شرایط جاذبه‌ی صفر فهم بهتری از کشش سطحی، ویسکوزیته ظرفیت گرمایی، چگالی و سایر ویژگی‌های دیگر آلیاژها پیدا کنند. این مورد می‌تواند کاربردهای زیادی در ساخت قطعات حساس فلزی همچون پره‌های توربین با وزنی پایین تر و مقاومتی بالاتر داشته باشد. چه بسا روزی شاهد استفاده از چنین آلیاژهایی در تلفن‌های هوشمند خود باشیم و بتوان روزی را تصور کرد که تلفن‌های ساخته شده از فلز حتی از نمونه‌های پلاستیکی آن نیز سبک‌تر و البته مقاوم‌تر –بالاخص نسبت به خش- باشند.

مشکلی که در این بررسی‌ها وجود داشت، نبود شرایط جاذبه‌ی صفر بر روی زمین است. هر چند امکان ایجاد چنین شرایطی در پروازهای با سقوط آزاد امکان پذیر است ولی این‌ها تنها به 20 ثانیه در هواپیما‌ها و 6 دقیقه در موشک‌ها محدود می‌شود که هیچ یک برای کاربرد در آزمایش‌های ذوب فلز شناختی (متالورژی) مناسب نیستند. برای رسیدن به چنین هدفی حتما به فضایی با جاذبه‌ی صفر همچون ایستگاه فضایی نیاز است و در ISS این شرایط کاملا وجود دارد.

آزمایشگاهی که قرار است این آزمایش‌ها در آن صورت بگیرد وزنی معادل 360 کیلوگرم دارد که می‌تواند به طور خودکار نمونه‌ها را در شرایط خلا یا مخلوط گازها به طور کنترل شده قرار دهد. این آزمایشگاه علاوه بر این به سیم پیچ‌های مغناطیسی معلق کننده و گرمازا مجهز است تا بتواند فلزات را ذوب کند. دوربین دیجیتالی با سرعت بسیار بالا تا 30,000 عکس در ثانیه نیز در آن قرار گرفته تا بتوان تمامی مراحل را به خوبی زیر نظر داشت. هنگامی که این آزمایشگاه فعال شود به طور خودکار یکی از 18 کره‌ی نمونه را که باقطری 5 تا 8 میلیمتری در آن قرار گرفته‌اند به درون محفظه تغذیه می‌کند. این کره‌ها از جنس فلزاتی همچون آلومینیوم، مس و نیکل هستند و با استفاده از سیم پیچ‌های مغناطیسی با فاصله از تمامی دیواره‌ها در فضا معلق می‌شوند و سپس به کمک حرارت القایی اعمال شده بر روی آن تا 2000 درجه‌ی سانتی‌گراد گرم شده و به حالت مایع در می‌آیند.

در چنین محیط کنترل شده‌ای دانشمندان می‌توانند اثر عوامل مختلفی را بررسی کنند بی آن که نگران دخالت سایر عوامل محیطی باشند. از آن جایی که نمونه‌ها تحت جاذبه قرار دارند در نتیجه جاذبه نمی‌تواند دخالتی در شکل گیری با تغییر شکل بلورهای تشکیل شده در ساختار فلز باشند، ضمن اینکه نیروی همرفتی نیز در اثر سرد شدن غیریکسان و متفاوت نمونه‌ها نیز دخالتی در شکل گیری ریزساختار آلیاژ نخواهد داشت. همه‌ی این‌ها تحت کنترل دائمی حسگرهای قرار گرفته در محفظه خواهد بود.

نتایج به دست آمده از چنین آزمایش‌هایی به دلیل خلوص بسیار بالا و دقت وحشتناکی که در فرایندشان صورت گرفته است بسیار قابل اتکا خواهند بود و پس از رسیدن به زمین مورد مقایسه با شبیه سازی‌های رایانه‌ای قرار می‌گیرند. این آزمایشگاه طی چند ماه آینده به فضا فرستاده خواهد شد و با اتصال به ایستگاه فضایی و انجام آزمایش‌ها با کنترل زمینی در نهایت برخی از نمونه‌ها را به زمین مجدد ارسال خواهد کرد.

به گفته‌ی پژوهشگران مشغول به کار در این پژوهش نتایج حاصل از این آزمایش‌ها ممکن است روزی در ساخت فرایند‌های صنعتی تولید فلزات با خواصی بسیار مشابه با فلزات ساخته شده در فضا به کار روند.

به نظر شما چه زمانی چنین فناوری‌هایی را در مقیاس صنعتی شاهد خواهیم بود؟ آیا فهم ساز و کار‌های حاکم بر فلزات برای ساخت آلیاژی با خواص بالاتر ارزش چنین هزینه‌ی هنگفتی را دارد؟