ジェレミー・クック
新しい強化された材料が航空宇宙工学の世界に革命をもたらしています。この記事では、火星やそれ以降の惑星への到達を可能にする新しい複合材料のいくつかを紹介します。
航空宇宙用複合材料: 炭素繊維、ナノチューブ、グラフェン
炭素繊維は、竹や綿などの材料を使用して、1800年代に初めて 電球のフィラメントに使用するために作られました。研究者がこの素材を潜在的な構造要素として研究し始めたのは、20世紀半ばになってからでした。
現在、ほとんどの炭素繊維はポリアクリロニトリルから作られています。これらの小さな個々の繊維はプラスチックバインダーの助けを借りて結合され、非常に強くて軽量な材料を形成します。カーボンファイバー素材によって実現される軽量化は、宇宙に到達するロケット、飛行中の飛行機、さらには自転車に乗るときの燃料消費量の削減を意味します。
他の航空宇宙用複合材料、カーボンナノチューブ、グラフェン、バックミンスターフラーレンも、炭素材料技術の次の進化と考えられます。これらの物質はそれぞれ、3つの隣接原子と結合した炭素原子のみで構成されています。
- カーボンナノチューブ: 炭素原子が分子チューブに包まれたもので、非常に小さな ワイヤー、あるいは毛玉のようなもので、組み合わせると非常に強い材料を形成します。
- グラフェン: 炭素原子が結合してシート状に配列されている（チューブ状に巻かれていない）。グラフェンはこれまでにテストされた中で最も強力な材料であり、 エネルギー貯蔵に適している可能性のあるいくつかの興味深い特性を備えています。
- バックミンスターフラーレン: 炭素原子が球状に包まれたもの（炭素原子60個、つまりC60）。おそらく、ここに挙げた他の炭素ベースの分子に比べると航空宇宙用途での研究はそれほど進んでいないかもしれませんが、研究者は将来、その重要な用途を発見するかもしれません。
航空宇宙および防衛用エアロゲル
サミュエル・スティーブンス・キスラーは、1931年にゼリーから液体を除去することでエアロゲルを開発しました。結果として生じる固体物質は主に空気です。現代のエアロゲルはシリコンから形成されることが多く、液体分子を除去して、体積比で99% 以上が空気である極めて多孔質の物質を生成します。
エアロゲルは「静止した」空気として構成されているため、優れた断熱材です。エアロゲルの高い多孔性と、分子の動きを制限し、熱エネルギーの伝達を制限するクヌーセン効果により、熱伝導率はエアロゲルに含まれるガスよりも低くなります。この多孔性により、エアロゲルは親水性となり、大量の水分を吸収できるようになります。ただし、添加剤を加えることで耐水性を持たせることができます。
これらの特性により、エアロゲルはNASAを含む幅広い用途に使用できる素晴らしい材料となっています。未加工の状態では、非常に脆く、間違いなく珍しい素材ですが、最小限の体積で高度な断熱性が求められる陸上用途に使用されています。
金属3Dプリント、高度な熱処理、航空宇宙複合材など
歴史を通じて、金属加工の進歩は社会を前進させてきました。金属自体は新しい素材ではありませんが、3Dプリントにより、これまでは不可能だった形状を形成できるようになります。3Dプリントはロケットの製造に広く使用されていることを考えてみましょう。
3Dプリンティングに加えて、金属を加熱および冷却して特性を高める方法は、宇宙工学や航空工学で今後も利用され続けることは間違いありません。金属、シリコン、カーボンで作られた幅広い新しい航空宇宙部品が、私たちの未来を牽引していくことが期待できます。
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