Di Jeremy Cook
Materiali nuovi e avanzati stanno rivoluzionando il mondo dell'ingegneria aerospaziale. In questo articolo vedremo alcuni dei nuovi materiali compositi che ci permetteranno di raggiungere Marte e non solo.
Compositi aerospaziali: fibra di carbonio, nanotubi e grafene
La fibra di carbonio è stata realizzata per la prima volta nel 1800 per l'uso nei filamenti delle lampadine, utilizzando materiali come bambù e cotone. Solo a metà del XX secolo i ricercatori hanno preso in considerazione questo materiale come possibile elemento strutturale.
Oggi la maggior parte della fibra di carbonio è fatta di poliacrilonitrile. Queste minuscole fibre singole vengono unite con l'aiuto di un legante plastico per formare un materiale estremamente resistente e leggero. Il risparmio in termini di peso ottenuto grazie ai materiali in fibra di carbonio si traduce in un minor consumo di carburante per i razzi che raggiungono lo spazio, per gli aerei in volo e persino per il tuo prossimo giro in bicicletta.
Gli altri compositi aerospaziali, come i nanotubi di carbonio, il grafene e il buckminsterfullerene, si possono considerare come un'evoluzione della tecnologia dei materiali di carbonio. Ciascuno di questi materiali è costituito solo da atomi di carbonio legati a tre atomi vicini.
- Nanotubi di carbonio: atomi di carbonio avvolti in tubi molecolari simili a fili estremamente sottili o a palle di pelo, se combinati, che formano un materiale estremamente resistente.
- Grafene: atomi di carbonio legati tra loro e disposti in fogli (non avvolti in tubi). Il grafene è il materiale più resistente mai testato e ha diverse proprietà interessanti che possono renderlo adatto all'accumulo di energia.
- Buckminsterfullerene: atomi di carbonio disposti a forma di pallone da calcio (60 atomi di carbonio, o C60). Anche se forse meno esplorata per gli usi aerospaziali rispetto alle altre molecole a base di carbonio qui elencate, i ricercatori potrebbero trovare importanti impieghi in futuro.
Aerogel per l'industria aerospaziale e militare
Samuel Stephens Kistler ha creato l'aerogel nel 1931 rimuovendo il liquido da una gelatina. La sostanza solida risultante era composta in gran parte da aria. L'aerogel moderno è spesso formato da silicio, rimuovendo le molecole liquide per creare una sostanza estremamente porosa il cui volume può superare il 99% di aria.
Grazie alla sua struttura di aria "ferma", l'aerogel è un ottimo isolante. La conducibilità termica può essere inferiore a quella del gas che contiene, grazie all'elevata porosità dell'aerogel e all'effetto Knudsen, che limita il movimento delle molecole e quindi il trasferimento di energia termica. Inoltre, questa porosità rende l'aerogel idrofilo e in grado di assorbire una grande quantità di umidità. È comunque possibile utilizzare degli additivi per renderlo impermeabile.
Queste proprietà fanno dell'aerogel un ottimo materiale con un'ampia gamma di possibili applicazioni, anche per la NASA. Nella sua forma grezza, può essere piuttosto fragile ed è indubbiamente un materiale esotico, ma è stato utilizzato per applicazioni più terrestri in cui è richiesto un isolamento estremo in un volume minimo.
Stampa 3D del metallo, trattamento termico avanzato, compositi aerospaziali e altro
Nel corso della storia, i progressi nella lavorazione dei metalli hanno promosso lo sviluppo della società. Anche se non si tratta di un nuovo materiale, la capacità di stampare i metalli in 3D ci permette di creare forme prima impossibili. La stampa 3D, infatti, è ampiamente utilizzata nella costruzione di razzi.
Oltre alla stampa 3D, il modo in cui i metalli vengono riscaldati e raffreddati per migliorarne le proprietà continuerà senza dubbio a essere utilizzato nell'ingegneria aerospaziale e aeronautica. Presto, un'ampia gamma di nuovi componenti aerospaziali realizzati con metallo, silicio e carbonio ci porteranno nel futuro.
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