Ο γύρος του κόσμου σε… 4 ώρες

Μπορούν άραγε τα κεραμικά υπερυψηλών θερμοκρασιών να μας φέρουν πιο κοντά σε υπερ-υπερηχητικές πτήσεις;

Το δρομολόγιο Λονδίνο- Σύδνεϋ απαιτεί 22 ώρες από τη ζωή ενός ταξιδιώτη. Κι αυτό, αν είναι τυχερός. Όμως, όπως μας επιβεβαιώνει και άρθρο του περιοδικού Materials World, το ίδιο ταξίδι θα μπορούσε στο μέλλον να διαρκεί μόλις δύο, στο όχι και τόσο μακρινό μέλλον! Ταξιδεύοντας σε ένα όχημα, διασταύρωση μεταξύ πυραύλου, διαστημικού λεωφορείου και αεροπλάνου, οι υπερ-υπερηχητικές πτήσεις δείχνουν να αποτελούν πραγματική προοπτική για τις αερομεταφορές.

Με ταχύτητες της τάξης των 6 Μαχ- 6 φορές την ταχύτητα του ήχου- τα αεροσκάφη αυτά θα έχουν την ικανότητα να εγκαταλείψουν την ατμόσφαιρα της Γης, και να ταξιδέψουν με πολύ μικρή αντίσταση, μειώνοντας ως εκ τούτου, δραματικά, τους χρόνους πτήσης. Βέβαια, η εύρεση κατάλληλων υλικών για τις εν λόγω εφαρμογές, στις θερμοκρασίες και ταχύτητες και στις συνθήκες που θα υπάρχουν κατά το ταξίδι είναι ένα εμπόδιο το οποίο προσπαθεί ολόκληρη η επιστημονική κοινότητα να ξεπεράσει.

Μία βασική διαφορά ανάμεσα στα διαστημικά σκάφη και τα αεροπλάνα είναι ότι τα αεροδυναμικά χαρακτηριστικά των διαστημικών οχημάτων είναι τέτοια που συντελούν στη διατήρηση των θερμικών χαρακτηριστικών σε ανεκτά επίπεδα. Το κόστος είναι μειωμένα χαρακτηριστικά ευελιξίας και αυξημένη οπισθέλκουσα. Για να βελτιωθούν οι επιδόσεις των υπερ-υπερηχητικών οχημάτων, ο σχεδιασμός τους είναι σαφώς πιο αεροδυναμικός και βασίζεται σε οξεία χείλη προσβολής των αεροδυναμικών τους επιφανειών. Η θερμοκρασία που αναπτύσσεται σε ένα οποιοδήποτε χείλος προσβολής είναι αντιστρόφως ανάλογη με την τετραγωνική ρίζα της ακτίνας του. Σε απλά ελληνικά, όσο πιο αεροδυναμικό είναι το σχήμα του, τόσο πιο υψηλές οι θερμοκρασίες που αναπτύσσονται. Σε υπερ-υπερηχητικές ταχύτητες, οι θερμοκρασίες είναι πολύ υψηλότερες από αυτές που αναπτύσσονται στα διαστημικά λεωφορεία. Κατά την επανείσοδο ενός υπερ-υπερηχητικού σκάφους στην ατμόσφαιρα της Γης, η τριβή μεταξύ σκάφους και αέρα, θα υπέβαλλε το σκάφος σε θερμοκρασίες ανώτερες των 2k^oC!

Το άρθρο του Materials World εστιάζει στα δύο κεραμικά υπερυψηλών θερμοκρασιών με τα υψηλότερα σημεία τήξης- και τα δύο καρβίδια. Το καρβίδιο του αφνίου και το καρβίδιο του τανταλίου. Σύμφωνα με πρόσφατες έρευνες με βελτιωμένες μετρητικές διατάξεις, το σημείο τήξης του HfC μετρήθηκε ανώτερο των 4k^oC (!!!), ένα κρίσιμο σημείο, το οποίο η αεροδιαστημική ήθελε εδώ και χρόνια να ξεπεράσει!

Πέρα από την τήξη όμως, τα κεραμικά υπερυψηλών θερμοκρασιών υποφέρουν από φαινόμενα αποικοδόμησης και υποβάθμισης των χαρακτηριστικών και των ιδιοτήτων τους. Η οξείδωση η οποία λαμβάνει χώρα σε αυτές τις υψηλές θερμοκρασίες είναι ένας πολύ σημαντικός εχθρός των υλικών αυτών και για το HfC συγκεκριμένα, η οξείδωση μπορεί να ξεκινήσει από τους 430^oC!

Η έρευνα στην οικογένεια των κεραμικών υπερυψηλών θερμοκρασιών πρέπει να εστιάσει σε δύο βασικούς άξονες. Ο πρώτος αφορά τις μεθόδους παραγωγής τους καθώς όλα αυτά τα καρβίδια είναι πάρα πολύ σκληρά με πάρα πολύ ισχυρούς δεσμούς στα υλικά, καθιστώντας τη βιομηχανική τους παραγωγή ασύμφορη. Ο δεύτερος άξονας αφορά στη βελτίωση των μηχανικών και θερμικών ιδιοτήτων των υλικών αλλά και στην αντίσταση σε οξείδωση. Το μεγαλύτερο πρόβλημα των επιστημόνων είναι ότι σε αυτές τις τάξεις θερμοκρασιών, τα πάντα αντιδρούν με τα πάντα.

Όπως θα ανέμενε κανείς, τα πάντα είναι… ρευστά.