Θαλάσσιες υποδομές: Επανάσταση με αβύθιστο υβριδικό μεταϋλικό που αντέχει τα πάντα (ΦΩΤΟ)

Οι θαλάσσιες υποδομές παγκοσμίως μπορεί να αλλάξουν ριζικά χάρη σε μια πρωτοποριακή ανακάλυψη από την Αυστραλία, η οποία υπόσχεται να καταργήσει τους περιορισμούς που ίσχυαν έως σήμερα στην κατασκευή πλωτών δομών.

Με επικεφαλής τον Δρ. Τζόρνταν Νορονά και τον Καθηγητή Μα Τσιάν, μηχανικοί του Πανεπιστημίου RMIT στη Μελβούρνη ανέπτυξαν ένα πρακτικά αβύθιστο υβριδικό μεταϋλικό, κατασκευασμένο από τρισδιάστατα εκτυπωμένο τιτάνιο.

Η ιδέα για τη συγκεκριμένη πατέντα προέκυψε από μια βασική αδυναμία των συμβατικών θαλάσσιων υποδομών. Πλωτήρες, αισθητήρες και άλλες αντίστοιχες κατασκευές στηρίζονται σε κλειστά και στεγανοποιημένα περιβλήματα από πλαστικό ή χάλυβα. Ακόμη και μια μικρή ρωγμή στο εξωτερικό κέλυφος αρκεί, επομένως, για να περάσει νερό στο εσωτερικό και να οδηγήσει αναπόφευκτα ολόκληρη τη δομή στον βυθό.

Εδώ και χρόνια ήταν γνωστό στους επιστήμονες ότι τα σύνθετα πλέγματα των μεταλλικών δικτυωτών δομών συνδυάζουν εξαιρετική αντοχή με εντυπωσιακά χαμηλό βάρος. Στο υδάτινο περιβάλλον, ωστόσο, παρουσίαζαν ένα θεμελιώδες μειονέκτημα: η ανοιχτή διάταξή τους αφήνει το νερό να περνά ανεμπόδιστα ανάμεσα στους χώρους που επικοινωνούν μεταξύ τους, εξουδετερώνοντας πλήρως την πλευστότητα που θα μπορούσε να εξασφαλίσει η μικρή πυκνότητά τους.

Πώς κατασκευάστηκε το αβύθιστο υβριδικό μεταϋλικό

Τη λύση σε αυτή την αντίφαση έδωσε η ομάδα από την Αυστραλία, δημιουργώντας με τρισδιάστατη εκτύπωση ένα πλέγμα κοίλων ράβδων τιτανίου που συνδέονται μεταξύ τους και γεμίζοντας το εσωτερικό τους με αφρό πολυουρεθάνης. Έτσι, το νερό δεν ανακόπτεται από κάποιο κέλυφος, αλλά κυκλοφορεί ελεύθερα στους ανοιχτούς χώρους γύρω από τις ράβδους και μέσα από την κατασκευή. Ταυτόχρονα, ο αφρός εγκλωβίζει αέριο σε μικροσκοπικές κυψέλες, σχηματίζοντας ένα κατανεμημένο εσωτερικό φράγμα που διατηρεί μόνιμα το υλικό στην επιφάνεια.

Η ανθεκτικότητα αυτού του υβριδικού υλικού μοιάζει σχεδόν απόκοσμη. Σε δοκιμές υπό πραγματικές συνθήκες στον κόλπο Port Phillip Bay της Μελβούρνης, άντεξε την παραμονή στο θαλασσινό νερό με ελάχιστη φθορά, καθώς η απώλεια μάζας περιορίστηκε στο μηδαμινό 0,15%. Ακόμη πιο εντυπωσιακό είναι ότι ούτε οι ρωγμές ούτε οι δομικές αστοχίες απείλησαν την πλευστότητά του: εξακολούθησε να επιπλέει φυσιολογικά ακόμη και όταν έσπασαν ολόκληρα στρώματα του πλέγματος ή καταστράφηκαν καίρια σημεία σύνδεσης. Βυθίστηκε μόνο αφού συνθλίφθηκε ολοκληρωτικά.

Παράλληλα, το μεταϋλικό αποδείχθηκε ισχυρότερο κατά 70% σε σύγκριση με ανοξείδωτο χάλυβα ή πολυαιθυλένιο υψηλής πυκνότητας ίσης μάζας. Η επίδοση αυτή δίνει στους μηχανικούς τη δυνατότητα να αναπτύξουν πλωτά συστήματα που είναι σημαντικά ελαφρύτερα, χωρίς να υποχωρούν ως προς τη στιβαρότητά τους.

Η σκελετική πυκνότητα και ο κανόνας της πλευστότητας

Για την ακριβή πρόβλεψη της συμπεριφοράς της ανοιχτής κατασκευής, οι ερευνητές αναγκάστηκαν να επανεξετάσουν τους κλασικούς νόμους της φυσικής, εισάγοντας μια νέα μέτρηση με την ονομασία σκελετική πυκνότητα. Ο συγκεκριμένος δείκτης συνυπολογίζει αποκλειστικά όσα μέρη εμποδίζουν ενεργά την είσοδο του νερού, δηλαδή τον αφρό και τα τοιχώματα από τιτάνιο. Έτσι παρέχει στους σχεδιαστές έναν απλό κανόνα: η δομή θα παραμένει πάντοτε στην επιφάνεια, αρκεί η σκελετική πυκνότητά της να είναι χαμηλότερη από την πυκνότητα του υγρού που την περιβάλλει.

Ήδη η ομάδα έχει δημιουργήσει με τρισδιάστατη εκτύπωση έναν θαλάσσιο πλωτήρα, ο οποίος διατήρησε απόλυτη σταθερότητα μέσα σε δεξαμενή με ταραγμένο θαλασσινό νερό. Επόμενος στόχος είναι η διεύρυνση της κλίμακας των δοκιμών σε περιβάλλον βαθέων υδάτων. Την ίδια ώρα, εξετάζεται και η τροποποίηση του εσωτερικού υλικού, ώστε να αξιοποιηθεί σε εφαρμογές απορρόφησης ενέργειας και ελέγχου των κραδασμών.

Δείτε φωτογραφία ΕΔΩ και ΕΔΩ