کرمان رصد - ایرنا / مهندسان ماده‌ای از جنس تیتانیوم ساخته‌اند که سبک و مقاوم است و حتی پس از آسیب‌های شدید هم روی آب می‌ماند. این ماده می‌تواند مشکل شناور ماندن سازه‌های دریایی آسیب‌دیده را حل کند.
شناورها، حسگرهای شناور و سایر سازه‌های دریایی برای اینکه آب به داخلشان نفوذ نکند و روی آب بمانند، به فضاهای بسته و آب‌بندی‌شده وابسته‌اند؛ اما یک تَرَک جدی می‌تواند این فضاها را پر از آب کند و کل سازه را به زیر آب بفرستد. به همین دلیل، مهندسان به موادی نیاز دارند که بتوانند شرایط سخت دریایی را تحمل کنند، بدون اینکه استحکام، سبکی یا شناوری‌شان از دست برود. فولاد ضد زنگ و پلاستیک‌های با چگالی بالا به‌طور گسترده برای این تجهیزات استفاده می‌شوند، اما هیچ‌کدام مشکل شناور ماندن سازه آسیب‌دیده را حل نمی‌کنند.
سازه‌های شبکه‌ای فلزی برای این چالش مناسب به نظر می‌رسند؛ چون ساختار پیچیده‌شان می‌تواند بسیار سبک باشد و در عین حال استحکام چشمگیری داشته باشد. شبکه فلزی یعنی ساختاری مثل داربست که از میله‌های به‌هم‌پیوسته ساخته شده و فضای خالی زیادی دارد؛ اما ساختار باز آنها در آب یک مشکل اساسی ایجاد می‌کند: مایع می‌تواند آزادانه از میان فضاهای به‌هم‌پیوسته عبور کند و مزیت شناوری که چگالی کلی پایینشان وعده می‌دهد را از بین ببرد.
پر کردن میله‌های توخالی با فوم
پژوهشگران مؤسسه سلطنتی فناوری ملبورن این ضعف را با چاپ سه‌بُعدی یک شبکه تیتانیومی برطرف کردند. این شبکه از میله‌های توخالی و به‌هم‌پیوسته ساخته شده است. پژوهشگران داخل این میله‌ها را با فوم پلی‌اورتان پر کردند. پلی‌اورتان نوعی فوم سبک است که در بسیاری از صنایع استفاده می‌شود.
فضاهای اطراف میله‌ها باز می‌مانند، بنابراین آب می‌تواند از میان خود شبکه عبور کند، نه اینکه توسط یک پوسته بیرونی آب‌بندی‌شده مسدود شود. نمونه‌ها بیش از دو ماه در آب شیرین شناور ماندند و شواهد پیوسته‌ای از شناوری خود ارائه دادند. به گفته پژوهشگران، این کار اولین نمایش گزارش‌شده از یک فراماده شبکه‌ای هیبریدی فلزی شناور است. فراماده یعنی ماده‌ای که ساختار داخلی‌اش به‌طور مصنوعی طراحی شده تا ویژگی‌های غیرمعمولی داشته باشد.
یک قاعده جدید برای پیش‌بینی شناوری
برای تعیین اینکه آیا چنین ساختار بازی شناور می‌ماند یا نه، باید چگالی آن را به روش دیگری محاسبه کنیم. روش معمول همه فضای خالی داخل شبکه را هم به‌حساب می‌آورد؛ اما آن فضا پر از آب می‌شود و هیچ کمکی به شناورماندن سازه نمی‌کند.
پژوهشگران به‌جای این روش، معیار جدیدی به نام چگالی اسکلتی ساختند. چگالی اسکلتی فقط بخش‌هایی از سازه را محاسبه می‌کند که آب را بیرون نگه می‌دارند. در این طراحی، آن بخش‌ها دیواره‌های تیتانیومی و کانال‌های پر از فوم هستند.
قاعده‌ای که از این معیار به دست می‌آید ساده است: اگر چگالی اسکلتی از چگالی مایع اطراف کمتر باشد، سازه شناور می‌ماند حتی اگر آب از همه سوراخ‌های آن عبور کند.
استحکام و شناوری پس از آسیب
شبکه تیتانیومی همچنین بارهای بسیار بیشتری را در مقایسه با موادی تحمل کرد که همین حالا در کاربردهای دریایی استفاده می‌شوند. وقتی پژوهشگران مواد را با چگالی کلی یکسان مقایسه کردند، سازه آنها ۷۰ درصد قوی‌تر از فولاد ضدزنگ یا پلی‌اتیلن با چگالی بالا بود. پلی‌اتیلن با چگالی بالا نوعی پلاستیک مقاوم است که در ساخت لوله و تجهیزات دریایی استفاده می‌شود.
قرار گرفتن در معرض آب دریا در آزمایش‌های کوتاه‌مدت، آسیب نسبتاً کمی ایجاد کرد. پس از دو هفته غوطه‌وری در آب دریای طبیعی جمع‌آوری‌شده از خلیج پورت فیلیپ ملبورن، شبکه فقط ۰.۱۵ درصد از جرم خود را از دست داد و استحکامش کمتر از ۱ درصد کاهش یافت.
تَرَک‌ها و شکست‌های ساختاری هم سازه را بلافاصله غرق نکردند. شبکه هیبریدی حتی پس از آسیب‌های شدید، از جمله ترک‌خوردگی، شکست در نقاط اتصال مهم و شکستن یک لایه کامل، همچنان شناور ماند.
آزمایش‌های طولانی‌مدت در پیش است
پروفسور ما کیان (Ma Qian)، رهبر طرح می‌گوید: پژوهشگران حالا قصد دارند اجزای نمایشی خود را بزرگ‌تر کنند و بررسی کنند که این ماده در دوره‌های طولانی‌تر و در شرایط واقعی دریایی و اعماق دریا چگونه عمل می‌کند.
ساختار داخلی آن را هم می‌توان برای کاربردهایی فراتر از شناوری تغییر داد. کیان می‌گوید: با تغییر ماده داخل چارچوب تیتانیومی، می‌توانیم ساختاری مشابه برای جذب انرژی، مدیریت حرارتی (کنترل دما)، کنترل ارتعاش (کاهش لرزش) و کاربردهای دیگر طراحی کنیم.
جمع‌بندی
پژوهشگران با ترکیب یک شبکه تیتانیومی باز و میله‌های توخالی پرشده با فوم، سازه‌ای ساخته‌اند که هم سبک و مقاوم است و هم پس از آسیب‌های شدید روی آب می‌ماند. این ماده می‌تواند در آینده برای ساخت شناورها، حسگرهای دریایی و سایر تجهیزات دریایی استفاده شود. پژوهشگران حالا قصد دارند این فناوری را در مقیاس بزرگ‌تر و در شرایط واقعی دریا آزمایش کنند.