استخدام غرافين في تطوير مكونات فضائية مستدامة خفيفة الوزن

The Potential of Graphene in Aerospace Engineering

وقد اجتذبت غرافين، وهي مجموعة من الذرات الكربونية ذات الجزأين فقط سميكة ذرة واحدة، اهتماماً شديداً عبر هندسة الفضاء الجوي، حيث إن مزيجها من القوة الميكانيكية الاستثنائية، والسلوك الحراري، والخصائص الكهربائية التي تشغلها كمرشح رئيسي للجيل القادم من الوزن الخفيف، والطائرات الدائمة والمستدامة، ومكونات المركبات الفضائية، حيث تضغط الصناعة لزيادة كفاءة الوقود، وانخفاض الانبعاثات، وحيازتها الطويلة، والرسوم البيانية،

Unique Properties of Graphene Related to Aerospace

إن الخصائص الاستثنائية لغرافين تنبع من هيكلها البلوري المثالي ذي الأبعادين، فهم هذه الممتلكات أمر أساسي للتقدير لما يتوق مهندسو الفضاء الجوي إلى إدماجها في المواد المركبة، والمعاطف، والنظم الالكترونية.

القوة الميكانيكية والتقلب

فالغرافين أقوى من الفولاذ بحوالي 200 مرة بينما يكون وزنا خفيفا للغاية، ويتجاوز قوامه المتوتر 130 جيغابا، ويمتلك نموذجا للشباب من حوالي 1 تي بي، مما يجعله واحدا من أقوى المواد التي تقاس في أي وقت مضى، وفي الوقت نفسه، يتسم الرسم البياني بالمرونة، ويستطيع أن يمتد إلى 25 في المائة من طوله الأصلي قبل أن يكسر.

السلوك الحراري

وتظهر شركة غرافين قدرة على السير الحراري تبلغ نحو 000 5 دبليو/(م) كحد أقصى من النحاس والألومنيوم، وهذه الممتلكات قيمة خاصة في الفضاء الجوي لتحلل الحرارة في النظم الإلكترونية، وأجهزة توليد الطاقة الكهربائية، ومكونات المحرك، وتمنع الإدارة الحرارية الفعالة من التسخين، وتخفض درجة الحرارة المادية، وتحسن الموثوقية.

السلوكيات الكهربائية والشفافية

(ج) إن شركة غرافين هي موصل كهربائي ممتاز، حيث يتجاوز عدد حركتها الكهربائية 000 200 سم2/(V) كما أنها تنقل نحو 97-98 في المائة من الضوء المرئي، وهذه الخواص تتيح للتدخل الكهرومغناطيسي المتطور، وسوابق الوزن الخفيف، وتصفيات شفافة لعرض أجهزة الكوكب ونوافذ الاستشعار، بالإضافة إلى أن الغرافيا يمكن استخدامها في الجيل القادم من البطاريات الكهربائية وأجهزة السطحية.

منطقة الوزن الخفيف والسطح السطحي

ويزن متر واحد من مادة الغرافيين المربعين 0.77 ملليغرامات فقط، حيث إن مساحة سطحها العالية (2630 ملغم/غرام من الناحية النظرية) مفيدة في التحفيز والاستشعار وتطبيقات تخزين الطاقة في الطائرات، ويجعل الجمع بين الوزن المنخفض والوزن العالي التحديد مثاليا للهيكل الفضائي الجوي ذات الأهمية القصوى.

تقنيات التصنيع والتكامل

إن ترجمة الوعود التي قطعها علماء الغرافين إلى مكونات فضائية جوية حقيقية يتطلب أساليب تصنيع قابلة للتكرار وفعالة من حيث التكلفة، وقد برزت عدة تقنيات، كل منها مبادلات في النوعية والتكلفة وحجم الإنتاج.

Chemical Vapor Deposition (CVD)

وتزرع هذه المادة أفلاماً بيانية عن المصانع الفرعية (النحاس التقليدي) عن طريق عرض الخانة الفرعية لغازات الهيدروكربون عند درجة حرارة عالية، وتنتج هذه الطريقة مناطق كبيرة، وغرافيا عالية الجودة مناسبة للالكترونيات، والأفلام السلوكية الشفافة، والمعاطف، غير أن نقل الفيلم الغرافي من طبقة النمو الفرعية إلى العنصر النهائي لا يزال يشكل تحدياً، كما أن العملية باهظة الثمن حالياً.

Mechanical and Liquid-Phase Exfoliation

وتخترق أساليب العزل البيغرافيت إلى طبقات الجاين باستخدام القوة الميكانيكية (مثل الصويا) أو التكتل الكيميائي، وتنتج عمليات التطهير السائلة المثبتة من الفولطية التي يمكن أن تختلط بالبوليمرات أو الراتين أو المعادن لخلق المبيدات السائلة، وفي حين أن الغرافيت المكبوتة كثيرا ما تكون أكثر خللا من المواد الرخيصة.

الفارق المركبة

ويمكن إدماج الغرافين في مركب متعدد المقاييس (مثلاً، التراكم، البوليثر إيثر الكيتاون، البوليمرات المعززة للكربون) من خلال تقنيات مثل مزيج الحلول، أو البوليميرات في الموقع، أو التذويب المذوب، واضافة عدد قليل من المواد الغرافينة يتراوح بين 0.1 و1.0 في المائة، يمكن أن تحسن قوة الحرق المحتوية بنسبة تتراوح بين 20 و40 في المائة.

ويستكشف الباحثون أيضا النمو المباشر للغرافيين على ألياف الكربون من أجل إيجاد مركبين مختلطين أقوى للهياكل الأساسية للطائرات، وقد أظهرت شركة غرافين فلاغين ومختلف شركات الفضاء الجوي وجود ألياف كربونية معززة من حيث الشكل تتفوق على المكونات القياسية في الأداء الميكانيكي وخفض الوزن.

التطبيقات في المكونات الفضائية الجوية

إن تنوع غرافين يتيح مجموعة واسعة من التطبيقات عبر الأطقم الجوية والمحركات والفيون والنظم، وهي أكثر المناطق واعدة.

التركيبات الهيكلية وأجزاء الحواسيب الجوية

وقد يؤدي إدراج مادة الغرافيين في ألياف الكربون المعززة إلى خفض وزن المكونات بنسبة 10-20 في المائة مع الحفاظ على القوة أو تحسينها، وقد لملء جسيمات النانوبات الميكروسكوبية في المصفوفة، وقمع انتشار البوليمر، وتحسين قوة الأشعة البينية، وقد أجرى كل من الركب والسيارات بحثا عن التركيب المتطور في إطار الأشعة الفوقية (Ge-reinforced thermoset).

التكليف والآلات

كما أن المعاطف التي تُستخدم في التصفيق على أساس التكوين توفر مقاومة أعلى للتآكل، وممتلكات مضادة للتكسير، ودرعا للكهرباء، وبإضافة رسومات إلى طلاءات العجلات أو الطلاءات العلوية، يمكن للمصنعين حماية جلدات الألومنيوم من التآكل الغافيني والتعرض لمياه الملحية، كما أن الطاقة السطحية المنخفضة في غرافين تجعل المعاطف هيدروبية والثلفورية تساعد على منع تراكم الآلات.

أجهزة الاستشعار والإلكترونيات

كما أن حساسية غرافين العالية للإجهاد ودرجات الحرارة والامتصاص الكيميائي تجعلها مثالية لمستشعرات الرصد الهيكلي المدمجة، ويمكن أن تكتشف أجهزة الاستنشاق التي تستخدم العجلات التي تستخدم في الجرفين، والتطهير، وتغيرات الحمولة في الوقت الحقيقي، مما يتيح الصيانة المتوقعة، كما يمكن لمستشعرات الغاز في غرافين أن تكتشف تسربات الوقود أو أجهزة التحكم في الهواء.

نظم الإدارة الحرارية

إن تسرب الحرارة مسألة حاسمة بالنسبة للفيونيات ذات الطاقة العالية، ونظم الليزر، والدفع الكهربائي، وقد سمحت طريقة تصريف حراري غرافين الاستثنائية باستخدامه كمنشور حراري في لوحات الدوائر المطبوعة، كملئ في العواصف الحرارية، أو كمعلو في مصارف الحرارة، وقد تبين أن مواد إدارة الحرارة القائمة على الجرافين هي التي تخفض درجة الحرارة 10-20.

تخزين الطاقة ونظم الطاقة

ويمكن أن تحسن غرافين أداء البطاريات والمركبات الخارقة للطائرات، وفي البطاريات الليثيوم - أيون، يمكن للطيور الغرافينية أن تزيد كثافة الطاقة ومعدلات تخفيف الرسوم، في حين أن الطوابع المحسنة للرسوم يمكن أن تحسن حياة الدورة، وبالنسبة للطائرات الكهربية المهجورة، فإن المكثفات الفوقية للغرافيا توفر انفجارات للكهرباء من أجل التصريف والتصريف.

الاستدامة والتأثير البيئي

وتواجه صناعة الفضاء الجوي ضغوطا متزايدة لتقليل آثار الكربون فيها، وتسهم غرافين في الاستدامة من خلال آليات متعددة.

وفورات الوقود من تخفيض الوزن

وكل كيلوغرام من الوزن المستخرج من طائرة ينقذ ما يقرب من 0.1 طن من ثاني أكسيد الكربون سنويا (لطائرة نفاثة صغيرة نموذجية) ويمكن للخطوط الجوية، عن طريق استبدال المواد التقليدية بالمركبات المجهزة المجهزة بالغرافيين، أن تقلل استهلاك الوقود بنسبة 5-15 في المائة تبعا لمدى التكامل، وبالنسبة لأسطول يبلغ 100 طائرة، فإن ذلك يترجم إلى آلاف الأطنان من ثاني أكسيد الكربون التي تتجنبها سنويا.

الإنتاج من مصادر الكربون العائمة

ويمكن تركيب غرامين من ثاني أكسيد الكربون أو الميثان أو حتى الكربون المستخرج من الكتلة الأحيائية، وقد طورت عدة شركات عمليات لإنتاج مادة الغرافيني من مواد النفايات، مثل الأكياس البلاستيكية أو المخلفات الزراعية، وهذا يتوافق مع مبادئ الاقتصاد الدائري ويقلل من الاعتماد على التعدين الكثيف للطاقة وتكرير المعادن، علاوة على ذلك، يمكن استخدام الطاقة المتجددة في إنتاج البصمات الديولوجية نفسها.

المكوّن الموسع الحياة والحد من النفايات

إن تعزيزات غرافين الميكانيكية ومقاومة التآكل تؤدي إلى توسيع نطاق عمر خدمة عناصر الطائرات، مما يقلل من تواتر الاستبدال وما يرتبط به من نفايات، ويمكن أن تحمي المعاطف القائمة على التصفيق باستخدام الفلزات الهيكلية من التشقيق البدين، بينما تقاوم المركبة المحسنة الجغرافيا الامتصاص من الرطوبة وتدهور المركبات، وتعني الأجزاء الطويلة الأجل أقل المواد التي تستهلك على مدى عمر تشغيل الطائرة وانخفاضها.

إعادة تدوير وإنهاء الحياة

ويمكن إعادة تدوير مركبي غرافين بسهولة أكبر من العديد من المواد التقليدية، مثلاً، يمكن تفكيك مركبي الغرافيني - الأيوكسي باستخدام المعالجة الكيميائية المميتة، مما يتيح استعادة ألياف الكربون والغرافين، وتجري البحوث لتطوير نظم للغرافينيين - البوليمرات قابلة لإعادة التدوير تماماً وتحافظ على الأداء بعد دورات إعادة المعالجة المتعددة.

التحديات التي تواجه التبني

وعلى الرغم من وعدها، يجب التغلب على عقبات كبيرة قبل أن يصبح الرسم البياني واسع الانتشار في صناعة الفضاء الجوي.

مدى قابلية الإنتاج للتصعيد

ولا يزال إنتاج كميات كبيرة من الرسوم البيانية الخالية من العيوب والمتسقة على النطاق الصناعي باهظ التكلفة، إذ أن أساليب التلقيم المقطعي تنتج أفلاما عالية الجودة ولكنها بطيئة ومحدودة في المنطقة، كما أن طرق التكفير تنتج بشكل أفضل ولكنها تنتج في كثير من الأحيان مادة الغرافيين ذات الحجم المتغير وسمكها ومستويات الأكسدة، وتحتاج صناعة الفضاء الجوي إلى درجة عالية من الموثوقية والقابلية للتعقب، مما يتطلب معايير قوية لمراقبة الجودة.

اعتبارات التكاليف

ويمكن أن يكلف الرسم البياني العالي التناسب مئات الدولارات للغرام الواحد، أي ما يتجاوز كثيرا ميزانية البرامج التجارية للفضاء الجوي، أما النانوبلات الغرافينية المنخفضة المستوى فهي أرخص (0-100/كغ) ولكنها تفتقر في كثير من الأحيان إلى الأداء اللازم للأدوار الهيكلية الحرجة، فخفض التكاليف من خلال تحسين أساليب التوليف ووفورات الحجم أمر أساسي، أما المشاريع التي تمولها الحكومة فتخفض التكاليف، ولكن الاستخدام الواسع النطاق لا يزال بعيدا عن ذلك.

مراقبة الجودة والوحدة

وتطالب شهادة الفضاء الجوي بأن يفي كل جزء بمواصفات صارمة للأداء، وتعتمد ممتلكات غرافين اعتمادا كبيرا على طريقة التوليف، وعدد الطبقات، وكثافة العيوب، والتشغيل الوظيفي، وتعقد القابلية للاختراق من بين المصانع، وتحتاج المصانع إلى تقنيات موثوقة للوصف في الخطوط (مثلا، نموذج رامان، ونسخة صغيرة بصرية) لضمان استيفاء كل عملية إنتاج محددة.

التكامل مع المواد والعمليات القائمة

ويمكن أن يكون من الصعب تقنياً إضافة مادة الغرافيين إلى المركب أو الفلزات الموجودة، ويؤدي سوء التشتت إلى تجمعات تعمل كمركّزات للإجهاد بدلاً من التعزيزات، كما يمكن أن تتفاعل غرامين دون مبرر مع وكلاء معالجة أو مذيبات أو عناصر سبائكية، وبالنسبة للتطبيقات الفضائية الجوية، فإن عملية التصنيع برمتها - من من مناولة المواد الخام إلى دورات العلاج النهائية - قد تكون معزولة على الوجه الأمثل.

الاتجاهات الحالية للبحث والمستقبل

وتتسارع البحوث المتعلقة بالغرافيين من أجل الفضاء الجوي، حيث تتسارع المبادرات العالمية المتعددة والدراسات المنجزة التي ترسم المستقبل.

برامج البحوث الرئيسية

وتمول شركة غرافين للطيران التابعة للاتحاد الأوروبي، وهي مبادرة تبلغ بليون يورو، عشرات المشاريع التي تركز على تطبيقات الفضاء الجوي، بما في ذلك المركبات المجهزة المعززة بالغرافيين، والإدارة الحرارية، وتكنولوجيات البطاريات، وفي الولايات المتحدة، يقوم مركز بحوث غلين التابع للناسا ومختبر بحوث القوات الجوية بالتحقيق في المواد التي تستخدم في إنتاج المواد الغرافينية من أجل هياكل المركبات الفضائية، ونظم الحماية الحرارية، والجامعات ذات الوزن الخفيف.

التطبيقات الناشئة

ويمكن للغرافيين، في المستقبل، أن يتيح قدرات فضائية جوية جديدة تماماً، فعلى سبيل المثال، يمكن استخدام مواد مخرّبة من الطرازات الهوائية - فوق الضوء - في العزل الحراري في خزانات الوقود البكائي، ويمكن للمعاطف الذكية التي تستخدمها غرافين أن تعدل ممتلكاتها في التحليق، مثل تغير الشبه السطحية للحد من الجر، كما يمكن للجرفين أن يؤدي دوراً في تغيير أجنحة الحقيقية، حيث

الطريق إلى الشهادة

وسيتطلب إصدار شهادات عن المواد التي ترفع من الرسوم البيانية تحت إشراف سلطات الطيران مثل القوات المسلحة الأنغولية ووكالة الفضاء الأوروبية إجراء اختبارات واسعة النطاق على الضباب، ومقاومة الحرائق، وحماية الإضراب، والقدرة على تحمل البيئة، ويركز المعتمدون المبكرون على الأجزاء الداخلية غير الحرجة والمعارض قبل الانتقال إلى الهياكل الأساسية، ويتوقع خبراء الصناعة أن يظهر الجزء الأول من الرسوم البيانية المصدق عليه على الطائرات التجارية في غضون السنوات الخمس إلى العشر القادمة.

خاتمة

وتتيح شركة غرافين فرصة تحولية لصناعة الفضاء الجوي لإيجاد مكونات أخف وأقوى وأكثر استدامة، وتعالج مزيجها الفريد من الخصائص الميكانيكية والحرارية والكهربائية العديد من أكثر التحديات إلحاحا في القطاع، وهي كفاءة الوقود، والقدرة على تحمل الدرع، والأثر البيئي، وفي حين أن العقبات الهامة لا تزال قائمة، وخفض التكاليف، ومراقبة الجودة - والزخم الناشئ عن جهود البحث العالمية والشراكات الصناعية، تتغلب بشكل مطرد على العقبات البيئية.