報道によると、卵の殻に触発されたデザインが、宇宙船を高速軌道衝突から保護するためにすぐに使用される可能性があります。大連理工大学の研究者たちは、「卵の殻」に基づいた生物模倣の軽量超材料デザインを開発し、宇宙船を宇宙ごみの衝突から守ることを目的としています。打ち上げ回数が増えるにつれて、軌道は徐々にゴミ場と化しています。現在、直径1センチメートル以上の金属、塗料、破損したロケット部品が、非常に高い速度で地球の軌道を通過しています。微小な破片であっても、時速数万マイルで衝突すれば、手榴弾のような爆発力を生み出し、重要な衛星、高価な宇宙望遠鏡、有人宇宙ステーションに脅威を与えます。
エンジニアたちは、これらの宇宙の弾丸に対抗するために、数十年にわたり、より軽く、より耐久性のある装甲を探し続けてきましたが、その答えは卵の殻の中にあるかもしれません。
大連理工大学の卵の殻に触発されたデザインが新しい宇宙船保護ソリューションを提供
大連のチームは、卵の殻をモデルにした宇宙船保護システムを提案しました。彼らは3Dプリント技術を用いて、中空のアルミニウム卵の殻の配列を作成し、それを2枚の金属衝撃板の間に挟みました。このデザインは、強力な衝撃波を効果的に吸収し、そうでなければ従来の装甲を破壊してしまう衝撃波を防ぎます。著者の王宇欣は、「自然の生物構造は長期にわたる適応を経て、優れたエネルギー吸収性能を示しています。」と述べています。
液体ダンピングの概念は、実現不可能に思えるかもしれません。卵はその脆さで知られ、軽く触れるだけでカウンターの上で割れてしまいます。しかし、自然界は卵の形を幾何学的な芸術品のようにデザインしています。それらを配列に組織することで、予想外に堅固な構造が形成されます。研究者たちは、水を満たしたアルミニウムの卵の殻を鈍面を下にして2枚の板の間に置きました。このデザインは、衝撃力をシステム全体に分散させます。その結果、各卵の殻が順次崩壊し、徐々に運動エネルギーを吸収し放出します。王は、「単一の卵の殻は局所的な力で簡単に破裂しますが、卵の殻の配列の保護メカニズムは全く異なります。
これらの卵の殻ユニットの協調的な変形は、局所的な衝撃負荷を超材料内で分散されたエネルギー耗散に変換し、ターゲット板の衝撃耐性を大幅に向上させます。」
アルミニウムの卵の殻の内部に水を加えることで、装甲の性能がさらに向上しました。高速衝突時に、閉じ込められた液体が内部で転がり、後続の衝撃波の伝播を軽減します。このデザインを評価するために、研究者たちは3Dプリントテストとシミュレーションを行い、実心アルミニウム板、充水アルミニウム球、卵の殻超材料を比較しました。充水の卵の殻構造は、すべてのデザインの中で最も良い性能を示し、衝突弾丸の速度を約65%減少させましたが、実心アルミニウム板は51%にとどまりました。卵の殻を立てて、先端を上板に向けることで、最良の効果が得られます。
バイオミミクリーの軽量超材料が未来の宇宙防護の鍵技術となる可能性
王は、「この研究は、バイオミミクリーの軽量超材料が有望な高速衝突防護ソリューションであることを示しています。私たちは、この研究が生物模倣の保護構造に対する関心を引き起こすことを望んでいます。」と述べています。しかし、この材料はまだ発射台に投入する準備が整っていません。チームは、最大限の保護を最小限の重量で実現するために、金属殻の厚さ、配置、アスペクト比を積極的に改善しています。これは、宇宙物体間の衝突が数千の高速破片を生み出し、それらの新しい破片が他の衛星やロケットに衝突してさらに多くの破片を生成する危険な連鎖反応であるKessler症候群の発生を防ぐために重要です。
この生物模倣のアプローチが採用されれば、地球を取り巻く致命的なゴミの環から人類の偉大な宇宙事業を保護する無形の盾となる可能性があります。
これらの研究成果は、9月8日に《応用物理学期刊》に発表されました。