El escudo inspirado en conchas marinas protege los materiales en entornos hostiles

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Palabra de un material extraordinariamente económico, lo suficientemente liviano para proteger a los satélites contra los desechos en el frío del espacio exterior, lo suficientemente cohesivo para fortalecer las paredes de los recipientes presurizados que experimentan condiciones promedio en la Tierra y, sin embargo, lo suficientemente resistente al calor a 1.500 grados Celsius o 2.732 grados Fahrenheit para proteger los instrumentos contra los escombros voladores, plantea la pregunta: ¿qué material único podría hacer todo esto? La respuesta, encontrada en los Laboratorios Nacionales Sandia, es dulce como el azúcar.

Eso se debe a que, de hecho, es azúcar: capas muy delgadas de azúcar glas de las tiendas de comestibles, quemadas hasta un estado llamado negro de humo, intercaladas entre capas de sílice apenas un poco más gruesas, que es el material más común en la Tierra, y horneadas. . El resultado se asemeja a un pastel de capas finas, o más precisamente, a las capas orgánicas e inorgánicas de una concha marina, cada capa ayuda a la siguiente a contener y mitigar el impacto.

“Un material que puede sobrevivir a una variedad de insultos (mecánicos, golpes y rayos X) puede usarse para resistir condiciones ambientales adversas”, dijo el investigador de Sandia, Guangping Xu, quien dirigió el desarrollo del nuevo recubrimiento. “Ese material no ha estado fácilmente disponible. Creemos que nuestro nanocompuesto en capas, que imita la estructura de una concha marina, es esa respuesta”.

Lo más significativo, dijo Xu, es que “el recubrimiento autoensamblado no solo es liviano y mecánicamente fuerte, sino también lo suficientemente estable térmicamente para proteger los instrumentos en máquinas de fusión experimental contra sus propios desechos generados donde las temperaturas pueden ser de aproximadamente 1500 C. Este fue el enfoque inicial del trabajo.”

“Y eso puede ser solo el comienzo”, dijo el consultor Rick Spielman, científico principal y profesor de física en el Laboratorio de Energética Láser de la Universidad de Rochester, a quien se le atribuye haber liderado el diseño inicial de la máquina Z de Sandia, uno de los destinos para los que el se pretende material nuevo. “Probablemente hay cien usos en los que no hemos pensado”. Él prevé posibles aplicaciones de electrodos que retrasen, en lugar de bloquear, las emisiones de electrones en la superficie. Ayudando a la misión de supervivencia nuclear

El recubrimiento, que se puede colocar en capas sobre una variedad de sustratos sin problemas ambientales, fue objeto de una solicitud de patente de Sandia en junio de 2021, una charla invitada en una conferencia de energía pulsada en diciembre de 2021 y nuevamente en un artículo técnico reciente en MRS Advances, del cual Xu es el autor principal.

El trabajo se realizó anticipándose al mayor blindaje que será necesario para proteger los objetos de prueba, los diagnósticos y los controladores dentro de las máquinas de potencia pulsada más potentes del futuro. La máquina Z de energía pulsada de Sandia, actualmente el productor de rayos X más poderoso en la Tierra, y sus sucesores ciertamente requerirán una protección aún mayor contra los escombros contra fuerzas que podrían compararse con numerosos cartuchos de dinamita que explotan a corta distancia. Chad McCoy carga recubrimientos de muestra en la máquina Z de Sandia

El físico Chad McCoy de la máquina Z de Sandia National Laboratories carga recubrimientos de muestra en soportes. Cuando Z se dispare, los investigadores observarán qué tan bien los recubrimientos particulares protegen los objetos apilados detrás de ellos. (Foto de Bret Latter) Haga clic en la miniatura para obtener una imagen de alta resolución.

“El nuevo blindaje debería tener un impacto favorable en nuestra misión de supervivencia nuclear”, dijo el autor del artículo y físico de Sandia, Chad McCoy. “Z es la fuente de rayos X más brillante del mundo, pero la cantidad de rayos X es solo un dos por ciento de la energía total liberada. El resto es impacto y escombros. Cuando tratamos de comprender cómo la materia, como los metales y polímeros: interactúa con los rayos X, queremos saber si los desechos están dañando nuestras muestras, ha cambiado su microestructura. En este momento, estamos en el límite en el que podemos proteger los materiales de muestra de agresiones no deseadas, pero las máquinas de prueba son más poderosas. requerirá un mejor blindaje, y esta nueva tecnología puede permitir una protección adecuada”.

Otros usos menos especializados siguen siendo posibilidades.

El escudo económico y ecológico es lo suficientemente liviano como para viajar al espacio como una capa protectora en los satélites porque se necesita comparativamente poco material para lograr la misma resistencia que el escudo más pesado pero menos efectivo que se usa actualmente para proteger contra colisiones con basura espacial. “Los satélites en el espacio son golpeados constantemente por escombros que se mueven a unos pocos kilómetros por segundo, la misma velocidad que los escombros de Z”, dijo McCoy. “Con este recubrimiento, podemos hacer que el escudo de escombros sea más delgado, lo que reduce el peso”.

Los revestimientos de protección más gruesos son lo suficientemente duraderos como para fortalecer las paredes de los recipientes presurizados cuando las onzas adicionales no son un problema. Se prevé una drástica reducción de costes

Según Guangping, el costo del material para fabricar un revestimiento de 2 pulgadas de diámetro del nuevo material protector, 45 millonésimas de metro y micras de espesor, es de solo 25 centavos. Por el contrario, una oblea de berilio, la que más se acerca a las propiedades térmicas y mecánicas del nuevo recubrimiento, y que se usa en la máquina Z de Sandia y en otros lugares de fusión como escudos protectores, cuesta $700 a precios de mercado recientes por un cuadrado de 1 pulgada. , oblea de 23 micras de espesor, que es 3.800 veces más cara que la nueva película de la misma área y espesor.

Ambos recubrimientos pueden sobrevivir a temperaturas muy por encima de los 1000 C, pero otra consideración es que el nuevo recubrimiento es ecológico. Solo se agrega etanol para facilitar el proceso de recubrimiento. El berilio crea condiciones tóxicas y sus alrededores deben limpiarse del peligro después de su uso. Cómo procedió la prueba

El principio de alternancia de capas orgánicas e inorgánicas, un factor importante en la longevidad de las conchas marinas, es clave para fortalecer el revestimiento de Sandia. Las capas de azúcar orgánica quemadas hasta convertirse en negro de carbón actúan como una masilla, dijo el gerente de Sandia y autor del artículo, Hongyou Fan. También evitan que las grietas se propaguen a través de la estructura de sílice inorgánica y proporcionan capas de amortiguación para aumentar su resistencia mecánica, como se informó hace 20 años en un intento anterior de Sandia de imitar el modo de concha marina.

Greg Frye-Mason, director de campaña de Sandia para la campaña de misión de investigación y desarrollo dirigida por laboratorio que financia la investigación, ASAP (Assured Survivability and Agility with Pulsed Power), inicialmente tenía sus dudas sobre la inserción de carbono.

“Pensé que las capas orgánicas limitarían la aplicabilidad ya que la mayoría se degrada entre 400 y 500 °C”, dijo.

Pero cuando el concepto de negro de carbón demostró su solidez a más de 1000 °C, el resultado positivo superó el mayor riesgo que Frye-Mason consideró que enfrentaba el proyecto.

Los revestimientos similares a conchas marinas probados inicialmente en Sandia variaron entre unas pocas y 13 capas. Estos materiales alternos fueron presionados uno contra el otro después de ser calentados en pares, por lo que sus superficies se entrecruzaron. Las pruebas demostraron que tales capas de nanocompuestos entrelazados de sílice con el azúcar quemado, conocido como negro de humo después de la pirólisis, son un 80 % más fuertes que la propia sílice y térmicamente estables hasta aproximadamente 1650 °C. Los esfuerzos de sinterización posteriores demostraron que las capas, autoensambladas mediante un giro -recubrimiento, podrían hornearse por lotes y sus superficies individuales aún se reticularían satisfactoriamente, eliminando el tedio de hornear cada capa. El proceso más eficiente logró casi la misma resistencia mecánica.

La investigación sobre el recubrimiento fue financiada por ASAP para desarrollar métodos para proteger los diagnósticos y las muestras de prueba en Z y en las máquinas de energía pulsada de próxima generación de los desechos voladores.

“Este recubrimiento califica”, dijo Frye-Mason.

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