Table of Contents
دور البوليمرات الحرارية في الهندسة في مجال المركبات الفضائية
فكل مركبة فضائية تُطلق في المدار تواجه تحديا مزدوجا: يجب أن يكون الضوء بقدر الإمكان للتقليل من تكاليف الإطلاق، ولكن قوي بما يكفي للبقاء على التقلبات الحرارية القصوى، بينما تؤدي المواد المستخدمة في المكونات الهيكلية دورا حاسما في تلبية هذه المطالب، فطوال عقود، كان المشغلون الألومنيوم، والتيتانيوم، والمعادن الأخرى خيارا متعطلا، ولكن مجموعة جديدة من المواد ذات الوزن الحراري - يكتسبون بسرعة.
وتُعرض البوليمرات الحرارية هذه المجموعة بالضبط، إذ يمكن للمصنّعين أن يُنتجوا عناصر مُستعصية التكلفة في المستقبل (مثل البوليميد أو البوليكربونات أو البوليمر السائل) مع مشغلات مُعالجة حرارية مثل ألياف الكربون أو الغرافيت أو النيتر الخزفي أو الجسيمات الخزفية، وهي مواد مُقاومة للتشعب.
فهم البوليمرات الحرارية
- البوليمرات الحرارية - البوليمرات السائلة - البوليمرات الأساسية - البوليمرات الحرارية أو الصنع الحراري - المصفوفة، التي توفر قوة ميكانيكية، وقسوة، وقابلية للتشغيل - معظم البوليمرات هي من النوعيات الحرارية الممتازة، مع وجود سمات حرارية على نحو 0.1 إلى 0.5
وتحتاج آلية نقل الحرارة في هذه المركبات إلى استخلاص: فعندما تكون الجسيمات المشبع مزدحمة بكثافة، فإنها تشكل شبكة مستمرة تتيح للزواحف (وفي حالة مليئات الكربون والكهرباء) السفر عبر المواد، وتتوقف نوعية هذه الشبكة على تشتتت المصابيح، والتوجه، والارتباط بين الوجوه، وتقنيات التوسيع المتقدمة مثل مزيج المقاييس، أو الخلط بين المقاييس.
وفي السياق، فإن السكك الحديدية الألومنيوم القياسية المستخدمة في المركبات الفضائية لها سمات حرارية تقارب ٠٢١-٠٠٢ دبليو/متر مربع، ولكنها كثيفة )٧,٢ غ/كغ٣( ومعرضة للتآكل في بعض البيئات، وعادة ما تترجم البوليمرات ذات السعة الحرارية ما بين ١,٢ و ٢,٠ غرام/كتار٣، مما يعني تخفيضا في قيمة الطول بنسبة تتراوح بين ٠٣ و٠,٠ في المائة بالنسبة لنفس الحجم.
أهم ما ينطوي عليه تصميم المركبات الفضائية
تخفيض الوزن الكبير
أما الفوائد الأكثر إلحاحاً للتحول من المعادن إلى البوليمرات الحرارية فهي وفورات في الوزن، إذ إن وجود معقوفتين هيكليتين أو مغسلة حرارية أو ضيوف قد لا يزن أيضاً مائتي غرام في الألومنيوم إلا 100-120 غراماً عندما يتم إنتاجها من مركب متعدد البوليمرات، وتجاوزت عشرات المكونات على ساتل، يمكن أن تقلل المدخرات المتراكمة من الكتلة الكلية بعدة من عدة كيلوغرامات.
المقاومة والطول
وتعمل المركبة الفضائية في بيئات يمكن أن تكون أكسجيناً بدوافع كيميائية وغامضة في مدار أرضي منخفض، وإشعاع عالي الطاقة، والتدوير الحراري بين الحرارة الشديدة والبرد، وتُعرض المعادن للتآكل، لا سيما في وجود الأكسجين الذري الذي يمكن أن يهدر السطح، كما أن البوليمرات التي تُستخدم في التداول الحراري، على النقيض، مقاومة شديدة للتسمم الإشعاعي ولعدم التآكل.
الإدارة الحرارية الخارقة
فالإدارة الحرارية الفعالة أمر حاسم في الفضاء، وبدون التكفير، يجب أن تتم الحرارة من خلال مواد صلبة أو مشعة، كما يمكن إدماج البوليمرات المتحركة في الفوضى والمساكن والأقواس الهيكلية لنشر الحرارة من الأجهزة الالكترونية ذات الطاقة العالية إلى أجهزة الإشعال المكرونة، كما أن أسلوبها الحراري، وإن كان أقل من مستوى الخريج، كثيرا ما يكون كافياً لتحميل الطاقة الكهربائية.
كفاءة التصميم والتصنيع
فالعمل على حرق البوليمرات الحرارية يتيح المجال أمام جدران هندسية معقدة، وقنوات داخلية، ورؤساء متصاعدين، وملامح ذات مواصفات مائلة، تكون مكلفة بالنسبة للآلات من المعدن، وتتيح هذه الحرية للتصميم للمهندسين إدماج المسارات الحرارية مباشرة في المكونات الهيكلية، مما يقلل من عدد الأجزاء المنفصلة، ويبسط التجمع، مثلاً، يمكن أن يكون هناك بناء متعدد المعادن ذي الفتيلات المائل.
سد الثياب والحد من الضغط
فالأهتزازات البوليمرية تهب بشكل طبيعي أفضل من المعادن - في بيئة الإطلاق، حيث تكون الحمولات الفيزيائية الشديدة شائعة، يمكن للمكونات المتعددة الألياف أن تستوعب الطاقة وتخفف من خطر الفشل في الإرهاق، كما أن هذه الممتلكات التي تهب في الرأس تساعد أيضا على حماية الآفات الحساسة والأدوات والوصلات الكهربائية من الميكروبات أثناء تشغيل المركبات الفضائية، بالإضافة إلى انخفاض مستوى المهابط بين المعادن (المرهقة)
تطبيقات محددة في مكونات المركبات الفضائية
الإضراب الإلكتروني والإسكان
ويستبدل أحد أكثر الاستخدامات انتشاراً للبوليمرات الحرارية بضميمات للأجهزة الالكترونية الموجودة على متنها، وتحتوي السواتل على عشرات من لوحات الدوائر للاتصال، ومناولة البيانات، ومراقبة المواقف، وتجهيز الحمولة، وتولد كل لوحة حرارة يجب تفكيكها لمنع التسخين المفرط، وتخلق النسيجات الإلكترونية المتطورة حتى إطار الوزن المركب من خلال أجهزة التخدير
المواد الحرارية المشتركة بين الأوجه
كما تستخدم البوليمرات الحرارية كطبقات تفاعلية حرارية تسد الفجوة بين مصدر حراري (مثل متحول كهربائي) ومستودع حراري، وخلافاً للدهن التقليدي أو الرصفات، يمكن تصنيف عمليات التصعيد القائمة على تعددية البيانات في شكلات دقيقة وسمكات، وضمان اتصال متسق، ولا تؤدي إلى ضخ أو جفاف في فترات الفراغ.
الهياكل الأساسية والأفرقة
ويتزايد عدد الأقواس التي تبثها القوارب، والمشبوطات، وألواح الألواح في السواتل، من مركبات متعددة المراحيض، والتي يجب أن تنقل حمولات ميكانيكية مع إدارة الحرارة، مثلا، على أن تكون الأقواس التي تحمل عجلة رد الفعل مثبتة باليقظة والتمزق، كما يجب أن تزيل الحرارة التي تولدها عوامل الكربون العجلة والقوة المحركية.
Insulation Layers and Radiator Surfaces
ولا تحتاج جميع مكونات المركبات الفضائية إلى إجراء حرارة؛ بل يجب أن يظل بعضها دافئا أو معزولا حراريا؛ ويمكن تصميم البوليمرات الحرارية على تطبيقات محددة عن طريق تعديل محتوى المشغلات المنخفضة، وهي تقترب من الوصل الحراري للمواد البلاستيكية النقية (0.3 W/m-K)، مما يجعلها متجانسة جيدة، ولكن مع التحميل العالي، تصبح هذه المواد موصلات ممتازة.
عناصر نظام البطاريات والكهرباء
وتولد البطاريات حرارة كبيرة أثناء دورات الشحن والتصريف، ويجب أن تظل في نطاق حرارة ضيق من أجل الأداء الأمثل والسلامة، كما أن التموينات المتعددة المراحيض التي تستخدم في وحدات البطاريات تساعد على نشر الحرارة في جميع أنحاء مجموعة البطاريات، وتمنع البقع الساخنة، كما أنها توفر العزل الكهربائي بين الخلايا، مما يقلل من خطر الاطراف القصيرة، وفي بعض التصميمات، تُعدُّ الصبغة المطاطية بقنوّة الداخلية.
التحديات والحدود
الفجوة في السلوك الحراري
وعلى الرغم من أوجه التقدم، لا تزال البوليمرات المسيّرة الحرارية لا يمكنها أن تضاهي السلوك الحراري للمعادن ذات الأداء العالي مثل النحاس (400 دبليو/م/ك) أو حتى الألمنيوم (200 دبليو/م كه) أما بالنسبة للمكونات التي يجب أن تحدث تقلبات حرارية عالية (مثلاً، فإن أجهزة جمع الطاقة الشمسية المركزة أو أجهزة تكييف عالية الطاقة) فلا تزال المرادفة.
التنقيب والاستمرارية
وفي فراغ الفضاء، يمكن للمواد أن تطلق مركبات متفجرة - وهي ظاهرة معروفة بالتجاوزات، ويمكن أن تتلاقى هذه التقلبات على السطحات الحساسة مثل البصريات، أو الخلايا الشمسية، أو المعاطف الحرارية، أو الأداء المهين، بينما يصاغ العديد من البوليمرات ذات السلوك الحراري بحيث تكون ذات مقياس منخفض (الارتفاع بمعيار ناسا ) زيادة في عدد أجهزة التجهيز E595([1])
الأداء الميكانيكي تحت نظام " Thermal Cycling "
وتعاني المركبات الفضائية من تقلبات في درجة الحرارة من - 150 درجة مئوية في الظل إلى + 120 درجة مئوية في ضوء الشمس (وحتى من النطاقات الأكثر تطرفاً لأجهزة الاختبار في الفضاء العميق)() ويظل معامل التوسع الحراري في البوليمرات أعلى عادة من مثيله للمعادن، مما يؤدي إلى ضغوط غير متطابقة محتملة عندما تكون مرتبطة بمكونات معدنية، ويمكن أن يؤدي التدوير الحراري المكرر إلى الإثقاب أو التراكم في التراكم.
التصنيع
فإنتاج مركبات متعددة المراحيض ذات خصائص ثابتة لا يُستهزأ، فتغيرات تشتت الملاجئ، والتوجه، وتوزيع حجم الجسيمات يمكن أن تسبب اختلافات بين الوصلات والحاجز في السلوك الحراري، وفي التطبيقات الفضائية الحرجة، لا بد من اختبار كل دفعة، علاوة على ذلك، فإن تكلفة المشغلات المتخصصة (لا سيما قطع الوزن النانوي الكربوني أو زيادة الوزن الزائد)
البحوث الجارية والتطورات المستقبلية
نانويكديس والمطلين المتقدمين
:: مختبرات البحوث تستكشف الجيل التالي من المشغلات التي يمكن أن تعزز بشكل كبير من السلوك الحراري، إذ يمكن أن تشكل نانوبليتات غرافين ونانووبات الكربون، وأجهزة النتوء البورونية التي تعمل على النينوتوبات، والتي تمثل قدرة عالية جدا على الوصل، ويمكن أن تشكل شبكات للإستعمار على مستويات التحميل الأدنى، مع الحفاظ على الخصائص الميكانيكية للبوليمر، وعلى سبيل المثال، فإن الباحثينات المتجانسية التي تُظهرت على 10 ميول.
3D Printing of Conductive Polymer Parts
(أ) التصنيع الإضافي (الطباعة بواسطة الطبع بواسطة الصبغة الحرارية هو اتجاه ناشئ، ويتيح نموذج الترسبات المزودة بالوقود إنتاج مواد قياسية معقدة حسب الطلب بالنسبة لمكونات ساتلية غير مستعملة أو ذات طابع سريع، ويمكن أن تصبح الألياف الجديدة المحتوية على ألياف الكربون أو الغرافيت متاحة، مع وجود مسارات حرارية في 5-15 W/m K.
التكامل مع المواد الذكية والحساسات
ويمكن أن تُدرج المركبات الفضائية المقبلة أجهزة استشعار درجة الحرارة أو أجهزة التسخين أو حتى القنوات الفلورية المصغرة مباشرة في مكونات البوليمرات الهيكلية، وتتوافق البوليمرات المُسْلكة في جوهرها مع هذا التكامل لأنها يمكن أن تُباع أو تُطبع جنباً إلى جنب مع الآثار المنهجية للاستشعار، مما يتيح الرصد الحراري الداخلي والمراقبة النشطة دون إضافة مواد منفصلة عن طريق الاستعارة أو المعدات.
أعماق الفضاء والبيئات الشديدة
ونظراً لأن البعثات تستهدف القمر والمريخ وما بعده، فإن المواد تحتاج إلى تحمل مستويات عالية من الإشعاع، وغطاء الغبار، ودرجات الحرارة القصوى، ويجري اختبار البوليمرات ذات السلوك الحراري لاستخدامها في مصانع اللونار والدوارات، حيث يلزم استبدال أجهزة الإشعال ذات الوزن الخفيف ومساكن مقاومة للتراب، وقد تكون وكالة الفضاء الأوروبية هي عبارة عن ظروف مضافة للبلدانمر.
خاتمة
وقد انتقلت البوليمرات السائلة الحرارية إلى خارج المختبر، وهي الآن تتدفق على المركبات الفضائية التشغيلية، حيث إن مزيجها من الوزن الخفيف، ومقاومة التآكل، ومرونة التصميم، وسلوكية حرارية قابلة للتصميم، يجعلها أداة قوية للمهندسين الذين يجب أن يوازنوا الأداء والكتل والتكاليف، وبينما ستظل المعادن ضرورية لتطبيقات الألواح العالية الحرارة، فإن نطاق البعثات التي يمكن أن يخدم فيها الخزانات الصغيرة هو الذي يتوسع بسرعة.
أما القيود المفروضة على السلوك الحراري، والتجاوزات، والاختلاس في تكنولوجيا المعلومات والاتصالات، والاتساق في التصنيع، فهي قيد البحث الجاري، حيث أن المشغلين النانويين ينضجون ويتحول التصنيع المضاف إلى ممارسة عادية، فإن الحد الأقصى للأداء من البوليمرات السلوكية سيستمر في الارتفاع، وبالنسبة لوكالات الفضاء والشركات الخاصة على السواء، فإن الاستثمار في هذه المواد الحديثة ليس مجرد خيار بل هو أمر أساسي استراتيجي.