Coaja de ou a devenit modelul pentru un material care ar putea proteja navele spațiale de fragmentele care circulă pe orbită cu viteze de câțiva kilometri pe secundă. Ideea vine de la o echipă de cercetători din China și a fost publicată în revista Journal of Applied Physics.
Motivul pentru care problema este urgentă are un exemplu memorabil. În 2007, un fragment de deșeu spațial a perforat panoul radiator al navetei Endeavour, în misiunea STS-118. Gaura de intrare avea 5,5 milimetri, iar cea de ieșire era de două ori mai mare. Programul navetelor s-a încheiat în 2011, dar aglomerarea de pe orbită a crescut constant de atunci, odată cu constelațiile de sateliți.
Un raport NASA din 2021 estima circa 34.000 de fragmente mai mari de 10 centimetri pe orbita joasă, aproximativ 900.000 între 1 și 10 centimetri și în jur de 128 de milioane sub un centimetru. Chiar și cele mai mici pot avaria o navă, pentru că viteza relativă face diferența, nu masa.
De ce tocmai coaja de ou
Rezistența cojii nu vine din grosime, ci din structură. Este alcătuită în principal din cristale de carbonat de calciu prinse într-o matrice proteică, întărită de o membrană interioară subțire de colagen, o arhitectură similară cu cea a smalțului dentar sau a scoicilor. A fost descrisă, pe bună dreptate, drept ambalajul perfect al naturii.
Industria aerospațială a observat asta devreme. În anii ’50 și ’60, cojile de ou au servit ca model în analizele de cedare pentru învelișurile metalice ale avioanelor. Iar în 2012, inginerul Pedro Reis, de la MIT, a demonstrat legătura dintre geometria ovoidă și rigiditatea structurii, un factor esențial în estimarea forței pe care un obiect o suportă înainte să crape.
Reis a ajuns la subiect dintr-o demonstrație populară de fizică: mersul pe cofraje de ouă fără a le sparge. Trucul stă în orientarea ouălor cu vârful îngust în sus, partea cea mai rezistentă la fisurare, și în distribuirea greutății pe toată suprafața, astfel încât niciun ou să nu fie suprasolicitat. Un ou cedează în general la aproximativ 2,5 kilograme de forță, dar valoarea depinde puternic de direcția și de distribuția acesteia.
Anul acesta, o colegă a lui Reis de la MIT, Tal Cohen, a testat presupunerea clasică din concursurile de tip egg drop, în care studenții trebuie să protejeze un ou aruncat de la înălțime. Se credea că poziția verticală este cea mai bună. Experimentele au arătat însă că, atunci când contează absorbția de energie, ouăle așezate orizontal absorb mai multă energie și se comprimă mai mult sub aceeași forță, iar în practică au crăpat mai rar decât cele verticale lansate de la aceeași înălțime.
Cum arată scutul propus
Navele spațiale sunt protejate în general de un scut Whipple, un concept propus încă din 1947 de astronomul Fred Whipple. Ideea este simplă: o barieră exterioară subțire, separată printr-un spațiu gol de peretele propriu-zis al navei. Bariera nu oprește particula, ci o fragmentează, astfel încât energia se distribuie pe o suprafață mult mai mare. De-a lungul deceniilor au apărut variante cu mai multe bariere sau cu umplutură între straturi.
Echipa chineză a vrut să îmbunătățească exact acest sistem, împrumutând geometria oului. Cercetătorii au printat 3D trei configurații din aluminiu: plăci simple, sfere umplute cu apă prinse între plăci și structuri în formă de coajă de ou umplute cu apă. Au rulat simulări de impact la hiperviteză și au tras apoi cu un tun cu gaz ușor în ansamblurile printate.
Varianta cu celule în formă de ou umplute cu apă a fost cea mai eficientă, reducând viteza proiectilelor cu aproape 65%. Plăcile simple de aluminiu au obținut doar 51%. Apa are un rol esențial: se clatină în interiorul celulei și disipează energia, împiedicând undele de șoc să se propage mai departe. Cea mai bună configurație testată a fost cea cu ouăle în poziție verticală, cu vârful îngust în contact cu placa superioară, adică exact trucul de la mersul pe cofraje.
De ce funcționează un ansamblu, nu un singur ou
„Un singur ou se sparge ușor sub o forță locală, dar mecanismul de protecție al unui ansamblu de coji este complet diferit”, a explicat coautorul Yuxin Wang, de la Universitatea Tehnologică din Dalian. „Deformarea coordonată a acestor unități transformă sarcina locală de impact într-o disipare distribuită a energiei în întreaga metastructură, ceea ce îmbunătățește semnificativ performanța anti-impact a plăcilor țintă. Sperăm că această cercetare va atrage mai multă atenție asupra structurilor de protecție inspirate din natură.”
Rezultatele sunt preliminare și mai sunt necesare experimente pentru rafinarea geometriei și pentru creșterea capacității de absorbție. Miza rămâne însă mare: Agenția Spațială Europeană monitorizează constant creșterea populației de fragmente de pe orbită, iar scenariul în care coliziunile generează la rândul lor noi fragmente, descris de Donald Kessler încă din 1978, rămâne principalul argument pentru scuturi mai bune.
Studiul este publicat în Journal of Applied Physics și a fost semnalat de Ars Technica, într-un articol semnat de Jennifer Ouellette. Pe teme apropiate, am scris despre primul satelit din lemn lansat pe orbită, despre a doua misiune neașteptată a telescopului Roman al NASA și despre craterul neobișnuit provocat de oameni pe Lună.
