طوّر باحثون من جامعة داليان للتكنولوجيا في الصين تصميماً جديداً لمادة خفيفة الوزن مستوحاة من قشرة البيض، قد تساعد مستقبلاً في حماية المركبات الفضائية من الاصطدامات الخطرة بالحطام الفضائي الذي يتحرك بسرعات هائلة في المدار حول الأرض.
وأوضح الباحثون أن التصميم المبتكر يعتمد على هياكل من الألمنيوم مملوءة بالماء، قادرة على امتصاص طاقة الاصطدامات عالية السرعة وتبديدها، ونُشرت النتائج، الثلاثاء، بدورية (Journal of Applied Physics).
ويُعد الحطام الفضائي أحد أبرز المخاطر التي تواجه الأقمار الاصطناعية والمركبات والتلسكوبات في المدار القريب من الأرض. ويقدّر العلماء وجود نحو مليون قطعة من الحطام يزيد حجمها على سنتيمتر واحد، في حين يمكن حتى للأجسام الأصغر أن تسبب أضراراً كبيرة عند اصطدامها بمركبة فضائية بسرعات عالية.
وخلال الدراسة، استلهم الباحثون طريقة توزيع وحدات قشرة البيض داخل الهيكل، بدلاً من الاعتماد على قشرة واحدة، التي قد تنكسر بسهولة عند تعرضها لقوة مركزة. وصنع الفريق وحدات صغيرة من الألمنيوم تشبه قشور البيض، ورتبها جنباً إلى جنب بين لوحين من الألمنيوم، ثم ملأها بالماء.
وشرح الفريق فكرته بأنه عند اصطدام جسم سريع باللوح الخارجي، لا تنتقل قوة الضربة بأكملها مباشرة إلى الجهة الأخرى؛ بل تبدأ الوحدات في التشوه والانهيار تباعاً، ما يوزع قوة الاصطدام على مساحة أكبر ويمتص طاقتها تدريجياً. ومع تشوه كل وحدة، يُستهلك جزء من الطاقة، فتصل طاقة أقل إلى اللوح المقابل.
كما وجد الباحثون أن الماء يعزز قدرة الهيكل على التعامل مع الصدمات؛ فعند وقوع اصطدام قوي، تتحرك المياه داخل الوحدات، ويساعد التفاعل بينها وبين الألمنيوم على الحد من انتشار موجات الصدمة داخل الهيكل، ما يسهم في امتصاص جزء من الطاقة وتبديدها بدلاً من انتقالها مباشرة عبر الدرع.
وقارن الباحثون خلال الاختبارات عدة تصميمات باستخدام نماذج مطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد ومحاكاة حاسوبية، شملت ألواح الألمنيوم وحدها، وكرات ألمنيوم مملوءة بالماء بين ألواح الألمنيوم، والتصميم المستوحى من قشرة البيض.
وأظهر التصميم المستوحى من قشرة البيض أفضل أداء بين النماذج المختبرة؛ إذ تمكن من تحمل أحمال مرتفعة، وخفّض سرعة المقذوف المستخدم في الاختبار بنحو 65 في المائة، مقارنة بانخفاض قدره 51 في المائة عند استخدام ألواح الألمنيوم وحدها.
ووجد الباحثون أيضاً أن اتجاه وحدات قشرة البيض داخل الهيكل يؤثر في كفاءتها، وكانت الوحدات الموضوعة في وضع قائم، بحيث يكون طرفها الأصغر ملامساً للوح العلوي، الأكثر فاعلية بين الاتجاهات التي اختبرها الفريق.
ويرى الباحثون أن أهمية التصميم تكمن في اعتماده على هندسة المادة لتوزيع طاقة الاصطدام وتبديدها، بدلاً من زيادة سماكة الدرع المعدنية فحسب، وقد يكون هذا النهج مفيداً في صناعة المركبات الفضائية، حيث يمثل الوزن عاملاً حاسماً؛ إذ ترفع كل زيادة في وزن المركبة تكلفة إطلاقها.
وأشار الفريق إلى أن الهياكل خفيفة الوزن المستوحاة من الطبيعة تمثل مساراً واعداً للحماية من الاصطدامات فائقة السرعة، لكنه أكد أن المادة لا تزال في مرحلة البحث والتطوير، ولم تصبح درعاً جاهزة للاستخدام في المركبات الفضائية.
