سفر به فضا با کابل‌های ‌نانوکربنی

به گزارش ایسنا ، یافته‌های محققان پلی تکنیک تورینو نشان می‌دهد که مقاومت این کابل‌های نانولوله‌ ای بزرگ‌ مقیاس برخلاف فرضیات پیشین، حدود یک‌دهمِ مقاومت نظری نانولوله‌هاست و می‌توان از آنها در ساخت بالابر فضایی استفاده کرد.

مشکل‌ترین گام در ساخت بالابر فضایی، دستیابی به کابلی مناسب با نسبت مقاومت‌ به ‌وزنِ مورد نیاز است؛ به عبارت دیگر باید به ماده‌ای دست یافت که ضمن سبکی، به اندازة کافی مقاوم بوده و برای ساخت کابلی با طولِ صدهزار کیلومتر، مناسب باشد.

فن‌آوری‌نانو، نانولوله‌های کربنی را برای چنین کاربردی پیشنهاد می‌دهد؛ اما چالش موجود در این زمینه، نحوه بافتنِ نانولوله‌های کربنی اولیه و ساخت یک نوار برای استفاده به‌عنوان کابل بالابر فضایی است.

پیش از آغاز مراحل عملی ساخت کابل، با توجه به موانع فنی ساختِ چنین کابلی، محققان باید مدل‌هایی را تهیه کرده، به کمک شبیه ‌سازی ، خصوصیات بهینه کابل (مانند اندازه و شکل) را تعیین کنند.

دکتر نیکولا پاگنو درباره روش ابداعی گروه خود می‌گوید: «ما برای انجام آزمایش‌های کشش بر روی کابل‌های نانولوله‌ای بزرگ‌مقیاس با طول‌های مختلف، هزاران شبیه‌ سازی تصادفی چند مقیاسه انجام دادیم.»

وی و همکارانش برای نخستین بار نشان داده‌اند که یک مدل رایانه‌ای می‌تواند یک کابل نانولوله‌ای چندکیلومتری را شبیه‌سازی کند. برای بررسی مقیاس‌های طول‌ِ مذکور، ضرورتاً باید از شبیه‌سازی‌های چند مقیاسه استفاده شود تا به کمک آن، بتوان طول یک نانولوله منفرد را تا 15 مرتبة بزرگی گسترش داد و به طول کابلِ بالابر فضایی رساند.

این گروه کابل‌هایی با اندازه‌ها و اشکال مختلف، همچنین غلظت‌های عیوب متفاوت را شبیه‌سازی کردند و دریافتند که مقاومت این کابل‌های نانولوله‌ای بزرگ‌ مقیاس برخلاف فرضیات پیشین ، حداکثر 10 گیگاپاسکال است ؛ این در حالی است که مقاومت نظری نانولوله بسیار بزرگ‌تر از این مقدار و حدود صد «گیگاپاسکال» است.

پاگنو توضیح داد که در شبیه‌سازی‌های چندمقیاسة آنها، شاخص‌ها به بهترین شکل برازش نشده‌اند: در گام اول، میزان اولیة شاخص مستقیماً از آزمایش‌های نانوکششِ نانولوله‌ها تخمین زده می‌شود و خروجی گام اول ، ورودی گام دوم است و این فرایند تا آنجا ادامه دارد که گام‌های بعدی نیز به اجرا درآیند.

آنها در عرض پنج گامِِ سلسله‌ مراتبی ، طول شبیه‌سازی‌ شده را از طول یک نانولوله منفرد (حدود صد نانومتر) به طول مگاکابلِ بالابر فضایی (حدود صدهزار کیلومتر) گسترش دادند.

پژوهشگران برای ارزیابی عددی مقاومت کابل بالابر فضایی از کد رایانه‌یی موسوم به SE3 که در سال 2006 به ‌وسیلة پاگنو نوشته شده بود، استفاده کردند.

به کمک چنین مدلی، علاوه بر محاسبة تنشِِ شکستِ کابل می‌توان منحنی‌های «تنش‌ - ‌کرنش» ، مدول‌های یانگ ، تعداد و محلِ فیبرهای شکسته ‌شده ، انرژی جنبشی تابش ‌شده ، انرژی شکست جذب‌ شده و سایر کمیت‌های مشابه را نیز محاسبه کرد.

هم‌اکنون این گروه در پی رسیدن به ستاره‌ها نیستند؛ بلکه می‌خواهند خصوصیات اسمی‌ای چون مقاومت، چگالی انرژی تلف‌ شده و... را که در توسعه مدل‌های واقعی نانولوله‌ها و نانوالیاف‌ها اهمیت بسیار زیادی دارند ، بررسی و اندازه‌گیری کنند.

نتایج این تحقیق در نشریه Small به چاپ رسیده‌است.