تطبيق التكنولوجيا النانوية في تحسين مكونات نظام التكاثر

Understanding Nanotechnology in Propulsion Systems

إن علم النانو، والتلاعب بالمسألة على النطاق الذري والجزئي (التي تقل عن 100 نانوتر)، يتيح إنشاء مواد ذات خصائص مختلفة اختلافا جذريا مقارنة بنظائرها الكبيرة، ويترجم ذلك في هندسة الدفع إلى عناصر أقوى في آن واحد، أخف، وأكثر مقاومة للحرارة، وأكثر استدامة، ويكمن المبدأ الأساسي في ارتفاع نسبة الميكانيكيات السطحية إلى الحجم، والآثار الكمية.

Properties of Nanomaterials Critical to Propulsion

وتشمل الخصائص الرئيسية التي تعززها هيكلة النانو القوة الخفية، والسلوك الحراري، ومقاومة التآكل، على سبيل المثال، تظهر نانووبات الكربون التي تتجاوز قوة الصلب 100 مرة في السادسة الواحدة، وتظهر المكوّنات النانوية والفلزات الخزفية، وتظهر مقاومة للكسر في الدهون، بالإضافة إلى ذلك، تُعدّل 500 1 درجة حرارة فوق المكيبة.

Carbon Nanotubes and Nanocomposites in Engine components

وتُدمج النانووبات الكربونية بصورة متزايدة في مصفوفات البوليمر أو الفلزات أو الخزف لتكوين النانويكات، وتستخدم هذه المواد في شفرات المعجبين، والأقراص المضغطة، وأجهزة التلميح، كما أن إضافة ما يتراوح بين 1 و5 في المائة فقط من النيتروز بالوزن يمكن أن تضاعف من حدة الشق المركب مع تقليل الكثافة العامة.

تعزيز أداء عنصر التكاثر

تربيين بليدز وقضبان حرارية

وتعمل نصلات توربين في أضيق بيئة لأي مكون من مكونات المحركات - معرضة إلى حمولات طاردية مركزية عالية، ودرجات حرارة قصوى، والغازات المؤكسدة.

كفاءة دائرة التعبئة من خلال محللي نانو كاتا

وتؤثر كفاءة الحرق تأثيرا مباشرا على استهلاك معين من الوقود وانبعاثاته، إذ أن المواد النانوية - مركبات البلاتينوم أو النبالاديوم أو أكسيد الرسيل في النانويكات - يمكن أن توزع في الوقود أو تستخدم كمعطف لسطح خط الاحتراق، وهي تشجع على الاحتراق الكامل عند درجات الحرارة المنخفضة، وتخفض تكوين الفول السوداني، والهيدروكربونات العازلة غير المحترقة.

العناصر الهيكلية للوزن الخفيف

ويحسن تخفيض الوزن الإجمالي للمحرك نسبة الدفع إلى الوزن ويقلل من حروق الوقود، وتستخدم المواد النانوكوليكية، مثل الأوكسي المعزز بنوبات الكربون المتعددة الجدران، في أحواض المروحة والخناق الالتفافية، وتحقق هذه المكونات وفورات في الوزن على سبائك الألومنيوم بنسبة تتراوح بين 20 و30 في المائة، مع الحفاظ على مقاومة التأثير.

تطبيقات في أنواع محددة من الاشتراع

طائرة نفاثة

وفي المناطق المدارية التجارية والاضطرابات العسكرية، تؤدي عمليات التطعيم على الشاحنات ورموز التربين إلى الحد من الاحتكاك والتحات، وزيادة الكفاءة الهوائية، وقد أبطلت رولز رويس براءات اختراع المعاطف النانوية التي يمكن أن تسمح بتشديد التصاريح، وتخفف من خسائر التسرب، كما أن الفقمات والعلامات النانوية تسهم في انخفاض مستويات الاعتماد على الوقود.

"الروكيت"

وتطالب محركات الصواريخ بمواد تنجو من التدرجات الحرارية القصوى، والضغوط العالية، والعادم التآكلي.() وتحتفظ المحارم المبردة (مثلاً، السبيكة المغنطة أو المتحركة) بقوة في درجات الحرارة حيث تخفف المعادن التقليدية أو تزحف.() وتستفيد من تحلية الصواريخ ذات الصبغة الحرارية التي تتيح نقلاً أحادياً أعلى

الإبتزاز الهايمن

وتواجه المركبات الهيدروجينية (Mach 5+) التدفئة والتكسد الهوائيين المتطرفين، إذ أن الندوات مثل الكربون - الكربون مع مضافات نانو - سيليكا يمكن أن تنجو من درجات الحرارة العائدة التي تتجاوز 000 2 درجة مئوية. وتحتاج مجهزات الحرق المزودة بالوقود إلى حقن في السرعة القصوى القصوى القصوى؛ كما أن المحفزات التي تعمل على تركيب خطوط الأنابيب تساعد على تحقيق الخلط السريع وحرق.

الابتكارات والبحوث الحالية

مبادرة ناسا ومبادرة الإبطال

ويشمل برنامج تطوير ألعاب ناسا التابع للهندسة النانوية مشاريع تتعلق بنظم الحماية الحرارية المهيكلة بالنانو والدبابات المركبة ذات الوزن الخفيف، وتقوم وزارة الدفاع الأمريكية، من خلال مكتب البحوث البحرية، بالتحقيق في أجهزة الاستشعار النانو المدمجة في عناصر الدفع لرصد الارتداء والكشف عن الشقوق في الوقت الحقيقي، ويمكن أن تتيح نظم التشخيص الذاتي هذه الصيانة التنبؤية وتعزز السلامة.

التطورات الصناعية

وتختبر شركة برات ويتني في محركاتها المصممة على أساس النيكل المزودة بأجهزة النيكل المجهزة بالنيكل النيكل، وتظهر هذه السواحل هياكل أدق وأحسن من المقاومة وحياة الدهون، وتعاونت شركة Safran و MTU Aero Engines على استخدام طرق التبني التي تعمل على تركيب أكسيد النانوينات، مع تعزيز المساحات من أجل ارتفاع مستوى الضغط.

التحديات والنظر في المسألة

القدرة على التصنيع

ولا يزال إنتاج المواد النانوية في المجلدات الصناعية ذات الجودة المتسقة يشكل عقبة، إذ أن عمليات الدفع الحالية للنفثالينات المكلورة تولد تفاوتاً في الاختلاف والتوزيعات المطولة، مما يؤثر على الممتلكات المركبة، ويجري صقل أساليب التوليف المستمرة، مثل تركيبة الخزانات الكيميائية الحفازة العائمة، من أجل تحقيق معدلات إنتاجية لعدة أطنان في السنة، ولكن تكاليف الرفع لا تزال مرتفعة.

الآثار المترتبة على التكاليف

ويمكن أن تكون المكونات التي يمكن أن تكون ناجمة عن المواد النانوية أكثر تكلفة بكثير من نظيراتها التقليدية، فعلى سبيل المثال، قد يكلف نصل المروحية النانوية أكثر من 10-15 مرة في البداية، غير أن تحليلات تكاليف دورة الحياة تبين أن الوفورات من انخفاض استهلاك الوقود، وانخفاض الصيانة، وطول مدة الخدمة يمكن أن تعوض عن القسط على مدى فترة زمنية تتراوح بين 10 و 20 سنة، وتستثمر في البداية في الفضاء الجوي استثمارات كبيرة لخفض هذه التكاليف عن طريق التشغيل الآلي والعمل على تحقيق الاستخدام الأمثل.

الصحة والمخاطر البيئية

وقد تشكل المواد النانوية المتطورة مخاطر الاستنشاق إذا تم إطلاقها أثناء التصنيع أو التطعيم أو إعادة التدوير في نهاية العمر، وقد أظهرت الدراسات أن بعض نانووبات الكربون يمكن أن تسبب تهاباً رئوياً في نماذج الحيوانات، مماثلة لأورام الأسبست.() كما أن بروتوكولات السلامة المغلقة، والمناولة، والوصايا، ومعدات الحماية الشخصية - هي وسائل إلزامية في التجهيز(0).

التوقعات المستقبلية

ومن المرجح أن يشهد العقد القادم دمج الاستشعار المختلط المتعدد الوظائف، والإدارة الحرارية، والتقوية الهيكلية في عنصر واحد، وقد تتيح المواد المصممة ذات الخواص النانو - الفوتونية السيطرة الحرارية النشطة، كما أن التقدم في التصنيع المضاف )الطباعة من ثلاثية الأبعاد( على نطاق ناو يتيح إنتاج كميات من المواد الجيولوجية المعقدة التي يتعذر عليها الإدلاء بها في نماذج الهندسة التقليدية، مع تحسين الظروف الافتراضية للتنبؤات.

إن علم النانوات ليس حلا قائما بذاته، بل هو أداة تكميلية، عندما يقترن ذلك بالتقدم في علوم الديناميات الحرارية والمواد الدافعة، سيقود الجيل القادم من المحركات، ويستلزم المسار من المختبر إلى المحرك التشغيلي الاستثمار المستمر في تكنولوجيا التصنيع، وبحوث السلامة، ومعايير الصناعة، غير أن الدفعات المحتملة - ٠٢-٣٠ في المائة من الحرق في الوقود، وتضاعف مكونات علوم الطيران في المستقبل، وتمكين نظم الدفع الرباعي.