המונחים: the Heat Shield Imperative

כל חללית שנכנסת מחדש לאטמוספירה של כדור הארץ, כל ייסורים תעשייתיים הפועלים בטמפרטורות קיצוניות, וכל בניין מודרני שחייב לעמוד באשות בר נשען על מערכת הגנה תרמית – הידוע בעיקר כמגן חום.מחסומים אלה חייבים להתפזר או לשקף חום אינטנסיבי תוך שמירה על חומרי בידוד מבניים, כגון אריחים, תרכובות, סיבים, וכבדות, שירתו היטב במשך עשרות שנים, אך הם הופכים לאקלים יעיל יותר, תחת לחץ כבד, כמו גם, כמו גם, כמו חומרים גמישים, כמו חומרים בעלי ביצועים גבוהים יותר, ופעולות סביבתיות, ופעולות, כמו טמפרטורות גבוהות יותר, כמו גם יעילות, כמו טמפרטורות גבוהות יותר, כמו טמפרטורות גבוהות יותר, כמו טמפרטורות גבוהות יותר, כמו טמפרטורות גבוהות יותר, כמו טמפרטורות גבוהות יותר, כמו קרמיקה, כמו טמפרטורות גבוהות יותר, כמו טמפרטורות גבוהות יותר, כמו קרמיקה, כמו קרמיקה, כמו טמפרטורות גבוהות יותר, כמו טמפרטורות גבוהות יותר, כמו טמפרטורות גבוהות יותר, כמו קרמיקה, כמו קרמיקה, כמו טמפרטורות מהירות, כמו טמפרטורות מהירות, כמו טמפרטורות מהירות, כמו קרמיקה, כמו טמפרטורות מהירות, כמו טמפרטורות מהירות, כמו טמפרטורות גבוהות יותר, כמו טמפרטורות מהירות, כמו טמפרטורות מהירות, כמו

ביו-שראה ב בידוד, הנקרא גם הגנה תרמית ביומטית, מנתח את אסטרטגיות ניהול תרמי שפותחו על ידי אורגניזמים חיים במשך מיליוני שנים. משערים חלולים של דובים אל המבנה התאי של צמחי המדבר, הטבע מציע ספריית עיצובים אשר להשיג בידוד יוצא דופן עם חומר מינימלי. מאמר זה חוקר את העקרונות, הדוגמאות, היתרונות, ואת האתגרים של החלת ביו-ש השראה בגלימות חום כדי לפתח כיוונים עתידיים, אשר יכולים להפוך חומרים מעשיים בעתיד.

מהו בידוד ביו-שראה?

בידוד בהשראת ביולוגית הוא סוג של חומרים ששוכפלים או נגזרים ישירות מן המבנים הביולוגיים והתהליכים לשלוט על זרימת החום.הרעיון הליבה של ביומיסמית הוא ללמוד מן הדפוסים של הזמן של הטבע, ולא רק תמצית משאבים טבעיים. בהגנה תרמית, זה לעתים קרובות אומר לחקות את הדרכים להסדיר את הטמפרטורה בסביבות קיצוניות - איך מונח mite נשאר מגניב בשמש האפריקאית, איך נשאר הקוטבי או ימים חמים, כמו גם מים חמים.

חומרים אלה אינם פשוט "טבעיים" במובן של להיות אורגני; הם עשויים להיות סינתטיים אבל מעוצבים עם גיאומטריה, היררכיה, והרכב בהשראת ביולוגיה.לדוגמה, קצף שממחיש את הנפיחות דמוית הדבש של עץ יכול למלכוד אוויר ביעילות יותר מאשר קצף אקראי-פומר, באופן דומה, בד שכבתי המהדהד את מבנה הסקאלה של כנף של מוטה יכול לשקף קרינה אינפראמית.

הגישה הביומטית גם מיושר עם מטרות קיימות.חומרים רבים בעלי השראה ביולוגית יכולים להיות מיוצרים ממזינים מתחדשים, הם בעלי יכולת ביולוגית בסוף החיים, או דורשים פחות אנרגיה לייצר.כפי שמגזרי האוויר והבניה מתמודדים עם לחץ להפחית את טביעת הרגל הסביבתית שלהם, בידוד בהשראת ביו-שעור מציע נתיב קדימה כי הוא ביצועים גבוהים ואחראי.

כיצד הטבע סולל את האתגרים הארוכים

כדי להבין בידוד בהשראת ביולוגית, יש להעריך את המגוון של הפתרונות התרמיים של הטבע.אורגניזמים חייבים לשמור על טמפרטורות פנימיות בטווח צר כדי לשרוד, והם התפתחו מערך יוצא דופן של הסתגלות:

  • (FLT:0) לכידת של אוויר: ⁇ F1) האוויר הוא מנצח עני של חום.חיות רבות וצמחים משתמשים בשיער משובח, סיבים, או מבנים ⁇ כדי ליצור שכבות אוויריות מחוסמות אשר מעכבות את העברת החום.
  • (FLT:0) משטחים ומבני פוטוניקה: אנדרט 1:1 כמה חרקים וציפורים יש קשקשים מיקרוסקופיים או נוריות נוצות המשקפות אור השמש וקרינת אינפרא אדום, צמצום רווח חום.
  • (FLT:0) מנגנוני שינוי: אורגניזמים מסוימים משתמשים במים או בחומרים אחרים העלולים לספוג חום כאשר הם משנים את השלב (כמו הזיעה ביונקים), אם כי זה פחות נפוץ עבור בידוד.
  • (FLT:0) שכבת היררכיות: FLT:1 שכבות פונקציונליות מרובות - רפלקטים פנימיים, אינסולטורים פנימיים, מחסומים לחות - פועלים יחד, כמו בעור, פרווה, וblubber של יונקים ימיים.

על ידי בידוד עקרונות אלה, החוקרים יכולים לעצב חומרים סינתטיים אשר להשיג ביצועים דומים או מעלים ללא ראש הביולוגי של רקמות חיים.

דוגמאות עיקריות של חומרים Insulation

כמה דגמים טבעיים כבר תרגם לאבו-טיפוס מעבדה, ובמקרים מסוימים, מוצרים מסחריים. להלן הם ארבע דוגמאות בולטות רלוונטיות במיוחד להתפתחות מגן חום.

פורוס פלטות צמחים: Lotus Leaves and Wood-based Foams

צמחים התפתחו מבנים סלולריים מורכבים לניהול מים וטמפרטורה.עלת הלוטוס, מפורסם על ה superhydrophobicity שלה, גם מציג מיקרו-דור היררכי המקטין את מוליכות תרמית. החוקרים יצרו "מעורב השראה" aerogels על ידי העתקה של רשת תאי על באמצעות תאוז או פולימרים סינתטיים אלה הם גלי חום מאוד, כמו צינורות קשיחים, כמו טמפרטורות קונבנציונאליות / 15.

בדומה לכך, קצף עץ-דרבן ששמר על המבנה הטבעי של אנתרוטרופי של balsa או cork פותחו. על ידי מינוף עץ ולאחר מכן להקפיא את זה, מדענים יוצרים ⁇ affold המחקה את התכונות המבודדות של cork אבל עם כוח מכני משופר, חומרים כאלה נחשבים למגן חום לא-עליבי כלי רכב הניתנים להחלפה, שבו הם משקל קריטי.

מטאים מיקרוביאליים: Extremophiles and thermal Barriers

בסביבה קיצונית כגון vents hydrothermal vents או מעיינות חמים, microorganisms ליצור קהילות צפופות, שכבתיות בשם microbial mats. אלה מזרונים להציג יכולת מדהימה לעמוד בטמפרטורות מכמעט מנקה עד 100 מעלות צלזיוס, הודות שילוב של פוליsaccharidee, שכבות תאים, ומשקעים שיוצרים סגסוגת תרמית.

למרות עדיין בשלב מוקדם של התפתחות, ציפויים זעירים מעוררים השראה מציעים את הפוטנציאל לנכסים עצמיים - אם הציפוי סדקים, חיידקים רדום משובצים בתוך יכול להיות מגיב לייצר יותר פולימרים.עם זאת, עמידות בסביבות גבוהה אוקסגן מחדש נשאר אתגר.

חיות פורה ופאבים: טרמפ אייר עם הירארכיה

ממאמלס וציפורים הם מאסטרים של בידוד תרמי.הפרו של הדוב הקוטב הוא דוגמה קלאסית: שיערי המשמר החיצוניים הם חלוולים, בעוד התחתית היא צפופה ופשעה. זה מלכודות מבנה דו-שכבת עדיין אוויר ביעילות רבה מאוד וגם משקף קרינה אינפרא אדום.חוקרים יצרו "שיער דובי קוטבי" סינתטי באמצעות אלקטרושית, ומייצרים סיבי ליבה עם סיבים חלולים עם סיבים, כאשר הם משיגים ליבה של 0.02K.

נוצות פינגווין, קצרות, נוקשות, וחפיפה, מספקות שכבת מים עדיין מבודדת שעובדת גם כאשר רטובה.עיצוב זה עורר את הפיתוח של ארובים הידרופוביים עבור מגיני חום כי חייב גם לנהל לחות או אי דיוק קרח במהלך ריכוז. Feathered-inspireed-inspireed הם גם נחקרים עבור מגני חום מנופחים - מרתיעים מחוסנים גמישים כי יש להישאר גמישים במהלך פריסה.

מודלים טבעיים ראויים לציון

  • (ב) ⁇ :0תנאים: ⁇ : ⁇ 1 , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) [ה]הגדלים של החמאה של מורפו:0] כנפיים: [ה] ,[דרוש מקור] [ה], [ה], [ה] ,[דרוש מקור]], [ה], [ה], [ההה], [ה], [ה], [ה],], [ה'[ה'],], [ה'[ה'],] ‭ ‬ה'[ה'[ה']'[ה']']'[ה'[ה'[ה'[ה'[ה'[ה']'[ה']']'[ה']']'[ה']']']']'[ה']'[ה'[ה'[ה'[ה']']']']']'[ה'[ה']']']'[ה']'[ה'[ה']'[ה']']']'[ה'[ה'[ה'[ה']'[ה']']']'[ה']'['[ה'[ה
  • (FLT:0) ספיידר משי:FLT:1 המבנה ההיררכי שלה עם מוליכות תרמית גבוהה לאורך הסיבים, אך מוליכות תרמית נמוכה מעבר סיבים ניתן לנצל עבור פירוק חום כיוון.

היתרונות של בידוד Bio-Inspired

אימוץ בידוד בהשראת ביו עבור מגיני חום מציע כמה יתרונות משכנעים על חומרים מסורתיים כמו אריחים קרמיקה, פחמן פחמן-פחמן, ופנוביות.

קיימות וצמצום ההשפעה הסביבתית

חומרים בידוד מסורתיים רבים הם אנרגיה- inensive לייצר ולא-biodegradable. Ceramic אריחים, למשל, דורשים חטא בטמפרטורות גבוהות, שחרור CO2 משמעותי. לעומת, כמה חומרי בידוד בהשראת ביולוגית ניתן לייצר מביומסה מתחדשים - כגון צלולוז, שיטוס (מפגזי קרום), או חיידקיים - אלה המבוססים על תהליכים ממושכים (כלומר, כלומר, כלומר, חומרים מתחומים דיגיטליים) עם חומרים מתחומים שונים של חומרים ממטרים (DVicial) עם חומרים מתחומים שונים, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, עם מודלים ביולוגיים ממונעימים בעלי תכונות ממוחזרים רבים של חומרים מתחומים שונים של חומרים מתחומים דיגיטליים (DVicial-FrivFriliphriliphripleripleriplerilimoriplegyFriallowicial) עם מודלים ביולוגיים (כלומר, עם מודלים ביולוגיים (כלומר, עם מודלים ממוחזרים) עם מודלים ממונעים) עם מודלים שונים, עם מודלים שונים, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר

שיפור ביצועים

מבנים טבעיים יעילים מימתיקים לעתים קרובות מניבים בידוד כי הוא טוב יותר בהדחת חום.לדוגמה, שכבת ההיררכיים הנצפה בכבש דוב קוטב מייצרת חומר לא רק מלכודות אוויר אלא גם משקף קרינה תרמית - מנגנון כפול שקשה להשיג עם קצף אחיד.ביו-בעור השראה יכול להשיג התנהגויות תרמיות מתחת ל 0.020 / mK, בעוד הם סביב חום / 0x) חום טבעי, 000.

משקל אור וחיסכון המונים

כל קילוגרם שנשמר על חללית מתורגם לחיסכון משמעותי בעלויות בהשקה.חומרים מעוררי השראה הם לעתים קרובות מאוד ⁇ , נותן להם צפיפות נמוכה מאוד - כמה קצף מבוסס עץ יש שיניים של 0.05 גרם / 3, בהשוואה ל-0.25 גרם / 0.5 גרם / CM3 עבור כלי קרמיקה מסורתיים. עבור רכב נודדים מאדים, החלפת כמה קילוגרמים של חום עם כמה קילוגרמים קלים יותר יכול להפחית את דרישות CBD או לשטוף.

פוטנציאל לעלויות נמוכות יותר ולייצור סימבולי

מבנים רבים בעלי השראה ביולוגית יכולים להיות מייצור עצמי או ייצור תוספים (3D הדפסה) ולא מורכבים או מאצ'ינג.לדוגמה, החוקרים השתמשו בטכניקה פשוטה של הקפאה כדי ליצור מבנים ⁇ משודרים בהשראת עץ, הדורש רק צלחת קרה וצליח.זה קנה באופן דרמטי את עלויות הייצור בהשוואה לפחמני פחמן-פחמן, יתר על כן, שימוש בחומרים פחות גמישים.

אתגרים ב- Bio-Inspired Heat Shield Development

למרות היתרונות האלה, כמה מכשולים משמעותיים יש להתגבר לפני בידוד בהשראת ביו ניתן לפרוס בבקשות מגן חום תובעני - במיוחד עבור כניסה אטמוספירית, שבו טמפרטורות יכולות לעלות על 2000 מעלות צלזיוס ושטף חום להגיע מגהוואט למ"ר.

עקרות מכניות ופיראטיות

רוב החומרים הביולוגיים מחלחלים בטמפרטורות מעל 200-300 מעלות צלזיוס, למשל, chars ו חמצון במהירות בטמפרטורות הכניסה מחדש. החוקרים מטפלים בכך על ידי חדירה של פיגרעות אורגניות עם מברקים קרמיקה (כמו סיליקה או סיליקון carbide) ולאחר מכן מציפים אותם כדי ליצור מסובכים פחמן-ארציים כי לשמור על גירוי ביולוגי מקורי, בנוסף, חום, מורכב, הוא יכול להוסיף מתחמיים מורכבים.

ייצור סקאביה ויציבות

הטבע מייצר מבנים עם דיוק יוצא דופן, אבל העתקה של הדיוק הזה בסביבה תעשייתית היא מאתגרת. Freeze-casting, למשל, מניבה דגימות עם כמה ריקנות בהיערכות; עבור מגן חום קריטי, מהנדסים דורשים תכונות צפויות וחזור. Scalability מ קופונים מעבדה (10 ס"מ) למגורים בגודל מלא של חום (3 מ' ומעלה) דורש ייצור גדול או מכירה כי הם להצטרף תוכניות קטנות ללא מסלולים חלשים.

שילוב עם אדריכלות מערכת קיימת

מגיני חום אינם מרכיבים עמידים; הם חייבים לצרף למבנה החללית, לשרוד את הרטטים של שיגור, ולהתחבר עם תת-מערכות אחרות כמו אנאנטנות ומכשירים pyrotechnic.חומרים בהשראת ביו-שיכולים עשויים להיות יעילים שונים של התרחבות תרמית, דרישות אג"ח, או יכולת נחיתות בהשוואה לחומרי מגן חום קונבנציונליים.מהנדסים חייבים לתכנן ממשקים אשר מתאימים להבדלים אלה ללא ביצועים מתקדמים.

בסביבה הקרובה של Long-Term Reliability and Space Environment

חלל מציג אתגרים ייחודיים: ואקוקום, קרינה אולטרה סגולה, חמצן אטומי, השפעות מיקרומטרואידיות רבות מעוררות השראה פולימרים מעוותים תחת חשיפה UV או גזים בוואקום, עלולות לסווג מכשירים רגישים.חלק מבני טבע גם להסתמך על לחות או פעילות ביולוגית כדי לשמור על תכונותיהם - לדוגמה, מזרונים מיקרוביאליים דורשים hydration כדי להישאר גמישים.

כיוונים עתידיים ומחקר מתמשך

למרות האתגרים, הפוטנציאל של בידוד בהשראת ביולוגי הוא להניע גוף גדל במהירות של מחקר. כמה כיוונים מתעוררים יכול להפוך את החומרים האלה לפתרונות הגנה מפני חום מעשי בתוך העשור הבא.

עיצוב ולמידה של מכונות

במקום פשוט להעתיק מבנה טבעי, החוקרים משתמשים בכלים חישוביים כדי לייעל את הגיאוגרפיה בהשראת ביולוגית לדרישות תרמיות מכניות ספציפיות.מכונות למידה אלגוריתמים מאומן על מסדי נתונים ביולוגיים יכולים להציע מבנים חדשים לרטיצ'ס אשר מדגימים את עמיתיהם הטבעיים לדוגמה, גישה עיצובית ניוונית יכולה ליצור ארכיטקטורת עיצוב ⁇ הממקסימה תוך כדי ניתוק מסוים של עומס יתרום.

חומרים ביולוגיים-Synthetic

שילוב של פיגומים אורגניים בהשראת עץ עם קרמיקה או מתכות עשוי להניב את הטוב ביותר של שני העולמות.למשל, קצף פחמן בעל עץ יכול להיות מחדור עם phenolic resin כי pyrolyzes כדי ליצור פחמן-פחמן מורכב עם micro-scale pores בהשראת מבנה עץ מקורי כזה כבר נבדקו במתקני סילון, 000 מסוגל לעשות יותר כדי לחדד על פני השטח של פחמן מורכבים על ידי פחמן בקנה מידה זעיר של פחמן, 000.

ניהול עצמי ואקטיבי

בהשראת מערכות ביולוגיות שתקנו את עצמן, החוקרים מטביעות מיקרו-capsules של חומרי שינוי בשלב או ריפוי סוכנים לתוך בידוד בהשראת ביו-שראה. כאשר סדקים טפסים, הקפסולות קרע ושחרור נוזל כי מוצק או יוצר מחסום תרמי.זה יכול להאריך את חיי מגן חום נשגב מחדש ולהפחית את עלויות תחזוקה.

יישומים מעבר למרחב

בעוד מאמר זה מתמקד מגן חום עבור חלליות, ביו בהשראת בידוד נחקר גם עבור חומרי בניין עמיד באש, בגדים מגן עבור מכבי האש, וחסמים תרמיים בסוללות רכב חשמלי.לדוגמה, חומר נוזן מעורר השראה כי סוגר את חומרי הנקבוביות שלה כאשר מחומם יכול לשמש כהפסקת אש בקירות.

מסקנה

בידוד בהשראת ביולוגית מייצג גבול מבטיח בפיתוח מגן חום, המציע נתיב לעבר חומרים קלים, יותר בר קיימא, ופוטנציאל יעיל יותר מאשר פתרונות מסורתיים. על ידי ניתוק אסטרטגיות ניהול תרמי של אורגניזמים - מן דובים למפעלים המדבריים - מדענים ומהנדסים הם יצירת מבנים חדשים כי מלכודות אוויר, לשקף קרינה, ולנהל חום עם יעילות יוצאת דופן, בעוד אתגרים משמעותיים להישאר קלים יותר, עמידות, וכושר שמירה על פני כדור הארץ גבוהה יותר, שמירה על חומרים עמידים, שמירה על פני השטח, שמירה על חומרים כימיים קיצוניים, שמירה על פני השטח, שמירה על חומרים מוגמרים, שמירה על פני השטח, שמירה על פני השטח, שמירה על פני השטח של חומרים מוגמרים גבוהה יותר, שמירה על פני השטח של חומרים מוגמרים גבוהה יותר, שמירה על פני השטח, שמירה על חומרים כימיים, שמירה על פני השטח של בטיחות גבוהה יותר, שמירה על פני השטח של בטיחות גבוהה יותר, שמירה על פני השטח של זמן גבוהה יותר, שמירה על פני השטח של בטיחות גבוהה יותר, שמירה על פני השטח של בטיחות גבוהה יותר, יכול להיות גבוהה יותר, שמירה על חומרים כימיים, שמירה על חומרים חשמליים, שמירה על פני השטח של בטיחות גבוהה יותר, שמירה על פני השטח של בטיחות גבוהה יותר, שמירה על פני השטח של חומרים חשמליים, שמירה על פני השטח של כדור הארץ, שמירה על