በቅርቡ፣ በአንድ የበረራ ቁሶች ምርምር ተቋም ውስጥ ከሚሠራ አንድ የድሮ የክፍል ጓደኛዬ ጋር እራት በልቼ ነበር። ስለቅርብ ጊዜ ፕሮጀክቶቻቸው ተነጋገርን፣ እሱም በሚስጥር “አሁን በምን አዲስ ቁሳቁስ ላይ በጣም እንደምንፈልግ ታውቃለህ? ላታምነው ትችላለህ - እንደ ጥሩ አረንጓዴ አሸዋ የሚመስለው ያ ዱቄት ነው።” ግራ የተጋባኝን አገላለጼን አይቶ ፈገግ አለና “አረንጓዴ ሲሊከን ካርቦይድ ማይክሮ-ዱቄት"ስለሱ ሰምተሃል? ይህ ነገር በአየር በረራ መስክ ላይ ትንሽ አብዮት ሊያስከትል ይችላል።" እውነቱን ለመናገር፣ መጀመሪያ ላይ ተጠራጥሬ ነበር፡- በተለምዶ ለመፍጨት ጎማዎች እና ለመቁረጥ ዲስኮች ጥቅም ላይ የሚውለው ያ ሻካራ ቁሳቁስ ከተራቀቀው የአየር በረራ ኢንዱስትሪ ጋር እንዴት ሊዛመድ ቻለ? ነገር ግን እሱ የበለጠ እንዳብራራው፣ ካሰብኩት በላይ ብዙ ነገር እንዳለ ተገነዘብኩ። ዛሬ ስለዚህ ጉዳይ እንነጋገር።
I. ይህንን “ተስፋ ሰጪ ቁሳቁስ” ማወቅ
አረንጓዴ ሲሊከን ካርባይድ በመሠረቱ የሲሊከን ካርባይድ (SiC) አይነት ነው። ከተለመደው ጥቁር ሲሊከን ካርባይድ ጋር ሲነጻጸር፣ ከፍተኛ ንፅህና እና አነስተኛ ቆሻሻዎች አሉት፣ በዚህም ምክንያት ልዩ የሆነ ቀላል አረንጓዴ ቀለም አለው። “ማይክሮ-ዱቄት” ለምን እንደሆነ ስንመለከት፣ በጣም ትንሽ የሆነውን የቅንጣት መጠን ያመለክታል፣ ብዙውን ጊዜ በጥቂት ማይክሮሜትሮች እና በአስር ማይክሮሜትሮች መካከል - የሰው ፀጉር ዲያሜትር ከአንድ አስረኛ እስከ ግማሽ ዲያሜትር። “በአጥፊ ኢንዱስትሪ ውስጥ ያለው የአሁኑ አጠቃቀም እንዲያታልልህ አትፍቀድ” አለ የክፍል ጓደኛዬ፣ “በእርግጥ በጣም ጥሩ ባህሪያት አሉት፡ ከፍተኛ ጥንካሬ፣ ከፍተኛ የሙቀት መቋቋም፣ የኬሚካል መረጋጋት እና ዝቅተኛ የሙቀት መስፋፋት። እነዚህ ባህሪያት በተግባር ለአየር ማራዘሚያ መስክ የተበጁ ናቸው።”
በኋላ ላይ፣ የተወሰነ ምርምር አድርጌ ይህ በእርግጥ እውነት መሆኑን ተረዳሁ። የአረንጓዴ ሲሊከን ካርቦይድ ጥንካሬ ከአልማዝ እና ከኩቢክ ቦሮን ናይትሬድ ቀጥሎ ሁለተኛ ነው፤ በአየር ውስጥ፣ ኦክሳይድ ሳያደርግ እስከ 1600°ሴ የሚደርስ ከፍተኛ የሙቀት መጠን መቋቋም ይችላል፤ እና የሙቀት መስፋፋት ኮፊሸንት ከተለመዱት ብረቶች አንድ አራተኛ እስከ አንድ ሶስተኛ ብቻ ነው። እነዚህ ቁጥሮች ትንሽ ደረቅ ሊመስሉ ይችላሉ፣ ነገር ግን በኤሮስፔስ መስክ፣ የቁሳቁስ አፈጻጸም መስፈርቶች እጅግ በጣም ጥብቅ በሆኑበት፣ እያንዳንዱ መለኪያ ከፍተኛ ዋጋ ሊያመጣ ይችላል።
II. የክብደት መቀነስ፡ የጠፈር መንኮራኩር ዘላለማዊ ፍለጋ
"ለአየር በረራ፣ ክብደት መቀነስ ሁልጊዜ ቁልፍ ነገር ነው"ኤሮስፔስመሐንዲስ ነግረውኛል። “እያንዳንዱ ኪሎግራም የተቆጠበ ክብደት ከፍተኛ መጠን ያለው ነዳጅ መቆጠብ ወይም የጭነት ጭነቱን ሊጨምር ይችላል።” ባህላዊ የብረት ቁሳቁሶች ክብደትን በመቀነስ ረገድ ገደባቸውን ደርሰውበታል፣ ስለዚህ የሁሉም ሰው ትኩረት በተፈጥሮ ወደ ሴራሚክ ቁሳቁሶች ተለውጧል። አረንጓዴ ሲሊከን ካርቦይድ የተጠናከረ የሴራሚክ ማትሪክስ ውህዶች በጣም ተስፋ ሰጪ ከሆኑ እጩዎች አንዱ ናቸው። እነዚህ ቁሳቁሶች በተለምዶ በአንድ ኪዩቢክ ሴንቲሜትር ከ3.0-3.2 ግራም ጥግግት ብቻ አላቸው፣ ይህም ከብረት (7.8 ግራም በአንድ ኪዩቢክ ሴንቲሜትር) በእጅጉ ቀለል ያለ እና ከቲታኒየም ቅይጥ (4.5 ግራም በአንድ ኪዩቢክ ሴንቲሜትር) የበለጠ ግልጽ ጥቅም ይሰጣል። በወሳኝ ሁኔታ፣ ክብደትን በመቀነስ በቂ ጥንካሬን ይጠብቃል።
“ለሞተር መያዣዎች አረንጓዴ ሲሊኮን ካርቦይድ ውህዶችን አጠቃቀም እያጠናን ነው” ሲሉ አንድ የኤሮስፔስ ሞተር ዲዛይነር ተናግረዋል። “ባህላዊ ቁሳቁሶችን ከተጠቀምን ይህ ክፍል 200 ኪሎ ግራም ይመዝናል፣ ነገር ግን በአዲሱ የተቀናጀ ቁሳቁስ ወደ 130 ኪሎ ግራም ሊቀንስ ይችላል። ለጠቅላላው ሞተር፣ ይህ 70 ኪሎ ግራም ቅነሳ ጉልህ ነው።” የተሻለ ሆኖ፣ የክብደት መቀነሻው ውጤት እየተንሸራተተ ነው። ቀለል ያሉ መዋቅራዊ ክፍሎች እንደ ዶሚኖ ተፅዕኖ ባሉ ደጋፊ መዋቅሮች ውስጥ ተጓዳኝ የክብደት ቅነሳዎችን ያስችላሉ። ጥናቶች እንደሚያሳዩት በጠፈር መንኮራኩር ውስጥ፣ በ1 ኪሎ ግራም መዋቅራዊ አካል ክብደት መቀነስ በመጨረሻ በስርዓት ደረጃ ክብደት ከ5-10 ኪሎ ግራም መቀነስ ሊያስከትል ይችላል።
III. ከፍተኛ የሙቀት መቋቋም፡ በሞተሮች ውስጥ ያለው "ማረጋጊያ"
የአየር ሞተሮች የአሠራር ሙቀት በየጊዜው እየጨመረ ነው፤ የተራቀቁ የቱርቦፋን ሞተሮች አሁን ከ1700°ሴ በላይ የሆነ የተርባይን የመግቢያ ሙቀት አላቸው። በዚህ የሙቀት መጠን፣ ብዙ ከፍተኛ የሙቀት መጠን ያላቸው ቅይጥዎች እንኳን መበላሸት ይጀምራሉ። “የሞተሩ ሞቃት ክፍል ክፍሎች በአሁኑ ጊዜ የቁሳቁስ አፈፃፀም ገደብን እየገፉ ነው” ሲል የምርምር ተቋም የክፍል ጓደኛዬ ተናግሯል። “በከፍተኛ የሙቀት መጠን እንኳን በተረጋጋ ሁኔታ የሚሰሩ ቁሳቁሶች በአስቸኳይ ያስፈልጉናል።” አረንጓዴ የሲሊኮን ካርቦይድ ውህዶች በዚህ አካባቢ ወሳኝ ሚና ሊጫወቱ ይችላሉ። ንፁህ የሲሊኮን ካርቦይድ በንፁህ አካባቢ ከ2500°ሴ በላይ የሙቀት መጠንን መቋቋም ይችላል፣ ምንም እንኳን በአየር ውስጥ ኦክሲዴሽን አጠቃቀሙን ወደ 1600°ሴ አካባቢ ይገድባል። ሆኖም፣ ይህ አሁንም ከአብዛኛዎቹ ከፍተኛ የሙቀት መጠን ቅይጥ 300-400°ሴ ከፍ ያለ ነው።
ከሁሉም በላይ ደግሞ ከፍተኛ ሙቀት ባለው ጊዜ ከፍተኛ ጥንካሬን ይይዛል። “የብረት ቁሳቁሶች በከፍተኛ ሙቀት 'ያለሰልሳሉ'፣ ይህም ከፍተኛ የሆነ ዝርፊያ ያሳያሉ” ሲሉ የቁሳቁስ ሙከራ መሐንዲስ ገልጸዋል። “ነገር ግን የሲሊኮን ካርቦይድ ውህዶች ከ70% በላይ የክፍላቸውን የሙቀት መጠን በ1200°ሴ መጠበቅ ይችላሉ፣ ይህም ለብረት ቁሳቁሶች በጣም አስቸጋሪ ነው።” በአሁኑ ጊዜ አንዳንድ የምርምር ተቋማት ለመጠቀም እየሞከሩ ነው።አረንጓዴ ሲሊከን ካርቦይድእንደ የኖዝል መመሪያ ቫኖች እና የቃጠሎ ክፍል ሽፋኖች ያሉ የማይሽከረከሩ ክፍሎችን ለማምረት ውህዶች። እነዚህ አፕሊኬሽኖች በተሳካ ሁኔታ ከተተገበሩ የሞተር ግፊት እና ቅልጥፍና የበለጠ እንደሚሻሻል ይጠበቃል። IV. የሙቀት አስተዳደር፡ ሙቀትን “መታዘዝ”
የአየር ወለድ ተሽከርካሪዎች በጠፈር ውስጥ ከፍተኛ የሙቀት አካባቢዎችን ይጋፈጣሉ፡- የፀሐይ ፊት ለፊት ያለው ጎን ከ100°ሴ ሊበልጥ ይችላል፣ ጥላ ያለው ጎን ደግሞ ከ -100°ሴ በታች ሊወርድ ይችላል። ይህ ግዙፍ የሙቀት ልዩነት ለቁሳቁሶች እና ለመሳሪያዎች ከባድ ፈተና ያስከትላል። አረንጓዴ ሲሊከን ካርቦይድ በጣም ተፈላጊ ባህሪ አለው - እጅግ በጣም ጥሩ የሙቀት መተላለፊያ። የሙቀት መተላለፊያው ከተለመዱት ብረቶች 1.5-3 እጥፍ እና ከተለመዱት የሴራሚክ ቁሳቁሶች 10 እጥፍ ይበልጣል። ይህ ማለት ሙቀትን ከሞቃት አካባቢዎች ወደ ቀዝቃዛ አካባቢዎች በፍጥነት ማስተላለፍ ይችላል፣ ይህም አካባቢያዊ የሙቀት መጨመርን ይቀንሳል። “በሳተላይቶች የሙቀት መቆጣጠሪያ ስርዓቶች ውስጥ አረንጓዴ ሲሊከን ካርቦይድ ውህዶችን ለመጠቀም እያሰብን ነው” ሲሉ አንድ የበረራ ዲዛይነር ተናግረዋል፣ “ለምሳሌ፣ የሙቀት ቱቦዎች መያዣ ወይም እንደ የሙቀት ማስተላለፊያ ንጣፎች፣ የስርዓቱን የሙቀት መጠን የበለጠ ወጥነት እንዲኖረው ለማድረግ።”
በተጨማሪም፣ የሙቀት ማስፋፊያ ኮፊሸንቱ በጣም ትንሽ ነው፣ ወደ 4×10⁻⁶/℃ አካባቢ ብቻ ሲሆን ይህም ከአሉሚኒየም ቅይጥ አንድ አምስተኛ ያህል ነው። መጠኑ ከሙቀት ለውጦች ጋር ሳይለወጥ ይቆያል፣ ይህ ባህሪ በተለይ በአየር ወለድ ኦፕቲካል ሲስተሞች እና በአንቴና ሲስተሞች ውስጥ ትክክለኛ አሰላለፍ የሚያስፈልጋቸው ጠቃሚ ነው። ዲዛይነሩ “አስቡት” ሲል ምሳሌ ሰጥቷል፣ “በምህዋር ውስጥ የሚሰራ ትልቅ አንቴና፣ በፀሐይ ፊት ለፊት እና ጥላ በተሞሉ ጎኖች መካከል በመቶዎች ዲግሪ ሴልሺየስ የሙቀት ልዩነት አለው። ባህላዊ ቁሳቁሶች ጥቅም ላይ ከዋሉ፣ የሙቀት መስፋፋት እና መኮማተር መዋቅራዊ መበላሸትን ሊያስከትል ይችላል፣ ይህም የነጥብ ትክክለኛነትን ይነካል። ዝቅተኛ መስፋፋት ያላቸው አረንጓዴ ሲሊከን ካርቦይድ ውህዶች ቁሳቁሶች ጥቅም ላይ ከዋሉ፣ ይህ ችግር በእጅጉ ሊቃለል ይችላል።”
ቪ. መደበቅ እና ጥበቃ፡- “ከመቋቋም” በላይ
ዘመናዊ የበረራ ተሽከርካሪዎች በድብቅ አፈፃፀም ላይ ከፍተኛ ፍላጎት አላቸው። የራዳር ድብቅነት በዋናነት የሚሳካው በቅርጽ ዲዛይን እና በራዳር የሚስቡ ቁሳቁሶች ሲሆን አረንጓዴ ሲሊከን ካርቦይድ በዚህ አካባቢ ቁጥጥር የሚደረግበት አቅም አለው። “ንፁህ ሲሊከን ካርቦይድ ሴሚኮንዳክተር ሲሆን የኤሌክትሪክ ባህሪያቱ በዶፒንግ ሊስተካከሉ ይችላሉ” ሲል ተግባራዊ የቁሳቁስ ባለሙያ አስተዋውቋል። “በተወሰነ የድግግሞሽ ክልል ውስጥ የራዳር ሞገዶችን ለመምጠጥ ልዩ የመቋቋም ችሎታ ያላቸው የሲሊኮን ካርቦይድ ውህዶች ቁሳቁሶችን መንደፍ እንችላለን።” ምንም እንኳን ይህ ገጽታ አሁንም በምርምር ደረጃ ላይ ቢሆንም፣ አንዳንድ ላቦራቶሪዎች በኤክስ-ባንድ (8-12 GHz) ውስጥ ጥሩ የራዳር የመምጠጥ አፈጻጸም ያላቸው በሲሊኮን ካርቦይድ ላይ የተመሰረቱ የተዋሃዱ የቁሳቁስ ናሙናዎችን አዘጋጅተዋል።
የቦታ ጥበቃን በተመለከተ፣ የጥንካሬ ጥቅሙአረንጓዴ ሲሊከን ካርቦይድበተጨማሪም በግልጽ ይታያል። በጠፈር ውስጥ ብዙ ቁጥር ያላቸው ማይክሮሜትሮይዶች እና የጠፈር ፍርስራሾች አሉ። የእያንዳንዳቸው ክብደት በጣም ትንሽ ቢሆንም፣ ፍጥነታቸው እጅግ በጣም ከፍተኛ ነው (በሰከንድ እስከ አስር ኪሎሜትሮች ድረስ)፣ ይህም በጣም ከፍተኛ የሆነ የተፅዕኖ ኃይል ያስከትላል። “የእኛ ሙከራዎች እንደሚያሳዩት አረንጓዴ ሲሊከን ካርቦይድ የተዋሃዱ ቁሳቁሶች ከተመሳሳይ ውፍረት ካለው የአሉሚኒየም ቅይጥ ጋር ሲነፃፀሩ ለከፍተኛ ፍጥነት ያለው የቅንጣት ተጽእኖ የመቋቋም አቅም ከ3-5 እጥፍ አላቸው” ሲሉ የጠፈር ጥበቃ ተመራማሪ ተናግረዋል። “በወደፊቱ በጠፈር ጣቢያዎች ወይም በጥልቅ የጠፈር መመርመሪያዎች መከላከያ ንብርብሮች ውስጥ ጥቅም ላይ ከዋለ ደህንነትን በእጅጉ ሊያሻሽል ይችላል።”
የአየር መንገድ ልማት ታሪክ በአንድ መልኩ የቁሳቁስ እድገት ታሪክ ነው። ከእንጨትና ከሸራ እስከ አሉሚኒየም ቅይጥ፣ ከዚያም እስከ ቲታኒየም ቅይጥና የተቀናጁ ቁሳቁሶች፣ እያንዳንዱ የቁሳቁስ ፈጠራ በአውሮፕላን አፈጻጸም ላይ ትልቅ ለውጥ አምጥቷል። ምናልባት አረንጓዴ የሲሊኮን ካርቦይድ ዱቄትና የተቀናጁ ቁሳቁሶቹ ለቀጣዩ እድገት አስፈላጊ ከሆኑ አንቀሳቃሾች አንዱ ሊሆኑ ይችላሉ። በላብራቶሪዎች ውስጥ በትጋት የሚመረምሩ እና በፋብሪካዎች ውስጥ ለትጋት የሚጥሩ እነዚያ የቁሳቁስ ሳይንቲስቶች የሰማይ የወደፊት ዕጣ ፈንታን በጸጥታ እየለወጡ ሊሆኑ ይችላሉ። እና አረንጓዴ የሲሊኮን ካርቦይድ፣ ይህ ተራ የሚመስለው ቁሳቁስ፣ በእጃቸው ውስጥ ያለው “አስማታዊ ዱቄት” ሊሆን ይችላል፣ ይህም የሰው ልጅ ከፍ ብሎ፣ ወደፊት እና ደህንነቱ በተጠበቀ ሁኔታ እንዲበር ይረዳል።