Hiljuti õhtustasin ühe endise klassikaaslasega, kes töötab lennundusmaterjalide uurimisinstituudis. Rääkisime tema viimastest projektidest ja ta ütles mulle salapäraselt: „Kas sa tead, milline uus materjal meid praegu kõige rohkem huvitab? Sa ei pruugi seda uskuda – see on see pulber, mis näeb välja nagu peen roheline liiv.“ Nähes mu hämmeldunud ilmet, naeratas ta ja lisas: „Roheline ränikarbiidi mikropulber„...kas olete sellest kuulnud? See kraam võib põhjustada väikese revolutsiooni lennunduses.“ Ausalt öeldes olin alguses skeptiline: kuidas saab see abrasiivne materjal, mida tavaliselt kasutatakse lihvketastes ja lõikeketastes, olla seotud keeruka lennunduse ja lennunduse tööstusega? Aga kui ta lähemalt selgitas, sain aru, et selle taga on palju enamat, kui ma arvasin. Täna räägime sellest teemast.
I. Selle „paljulubava materjali” tundmaõppimine
Roheline ränikarbiid on sisuliselt ränikarbiidi (SiC) tüüp. Võrreldes tavalise musta ränikarbiidiga on sellel suurem puhtusaste ja vähem lisandeid, sellest ka ainulaadne heleroheline värvus. Mis puutub selle nimetusse „mikropulber“, siis see viitab selle väga väikesele osakeste suurusele, mis on tavaliselt mõnest mikromeetrist kuni kümnete mikromeetriteni – umbes kümnendik kuni pool inimese juuksekarva läbimõõdust. „Ärge laske end petta selle praegusest kasutamisest abrasiivtööstuses,“ ütles mu klassivend, „sellel on tegelikult suurepärased omadused: kõrge kõvadus, kõrge temperatuuritaluvus, keemiline stabiilsus ja madal soojuspaisumistegur. Need omadused on praktiliselt loodud lennunduse ja kosmosetööstuse jaoks.“
Hiljem tegin veidi uurimistööd ja leidsin, et see oli tõepoolest tõsi. Rohelise ränikarbiidi kõvadus on teisel kohal vaid teemandi ja kuubilise boornitriidi järel; õhus talub see umbes 1600 °C kõrgeid temperatuure ilma oksüdeerumata; ja selle soojuspaisumistegur on vaid veerand kuni kolmandik tavaliste metallide omast. Need numbrid võivad tunduda pisut kuivad, kuid lennunduses, kus materjalide jõudlusnõuded on äärmiselt ranged, võib iga parameeter tuua tohutu väärtuse.
II. Kaalu vähendamine: kosmoselaevade igavene püüdlus
„Lennunduses on kaalu vähendamine alati võtmetähtsusega,“ ütleslennundusinsener ütles mulle. „Iga säästetud kilogramm kaalust aitab oluliselt kokku hoida kütust või suurendada kandevõimet.“ Traditsioonilised metallmaterjalid on kaalu vähendamise osas juba oma piirini jõudnud, seega on kõigi tähelepanu loomulikult pöördunud keraamiliste materjalide poole. Rohelise ränikarbiidiga tugevdatud keraamilised maatrikskomposiidid on ühed paljulubavamad kandidaadid. Nende materjalide tihedus on tavaliselt vaid 3,0–3,2 grammi kuupsentimeetri kohta, mis on oluliselt kergem kui teras (7,8 grammi kuupsentimeetri kohta) ja pakub ka selget eelist titaanisulamite ees (4,5 grammi kuupsentimeetri kohta). Oluline on see, et see säilitab piisava tugevuse, vähendades samal ajal kaalu.
„Uurime roheliste ränikarbiidist komposiitide kasutamist mootorikorpuste jaoks,“ avaldas lennundusmootorite disainer. „Kui kasutaksime traditsioonilisi materjale, kaaluks see komponent 200 kilogrammi, kuid uue komposiitmaterjaliga saab seda vähendada umbes 130 kilogrammini. Kogu mootori puhul on see 70-kilogrammine vähenemine märkimisväärne.“ Veelgi parem on see, et kaalu vähendamise efekt on kaskaadne. Kergemad konstruktsioonielemendid võimaldavad vastavat kaalu vähendamist tugistruktuurides, nagu doominoefekt. Uuringud on näidanud, et kosmoselaevades võib konstruktsioonielemendi kaalu vähendamine 1 kilogrammi võrra lõppkokkuvõttes viia 5–10 kilogrammi suuruse kaalu vähenemiseni süsteemi tasandil.
III. Kõrge temperatuuritaluvus: mootorite „stabilisaator”
Lennukimootorite töötemperatuurid tõusevad pidevalt; täiustatud turboventilaatormootorite turbiini sisselasketemperatuur ületab nüüd 1700 °C. Sellel temperatuuril hakkavad isegi paljud kõrgtemperatuurilised sulamid rikki minema. „Mootori kuumade sektsioonide komponendid nihutavad praegu materjalide jõudluse piire,“ ütles mu klassivend uurimisinstituudist. „Meil on hädasti vaja materjale, mis suudavad stabiilselt töötada veelgi kõrgematel temperatuuridel.“ Rohelised ränikarbiidi komposiidid võivad selles valdkonnas mängida olulist rolli. Puhas ränikarbiid talub inertses keskkonnas temperatuuri üle 2500 °C, kuigi õhus piirab oksüdeerumine selle kasutamist umbes 1600 °C-ni. See on aga ikkagi 300–400 °C kõrgem kui enamikul kõrgtemperatuursetel sulamitel.
Veelgi olulisem on see, et see säilitab kõrgel temperatuuril suure tugevuse. „Metallmaterjalid „pehmenevad” kõrgel temperatuuril, ilmutades märkimisväärset roomamist,“ selgitas materjalide testimise insener. „Kuid ränikarbiidist komposiidid suudavad säilitada üle 70% oma toatemperatuurilisest tugevusest temperatuuril 1200 °C, mida on metallmaterjalide puhul väga raske saavutada.“ Praegu üritavad mõned uurimisasutused seda kasutadaroheline ränikarbiidkomposiitmaterjalid mittepöörlevate komponentide, näiteks düüside juhtlabade ja põlemiskambri vooderdiste tootmiseks. Kui need rakendused edukalt rakendatakse, eeldatakse mootorite tõukejõu ja efektiivsuse edasist paranemist. IV. Soojusjuhtimine: soojuse „kuulekuse“ tagamine
Lennundusaparaadid puutuvad kosmoses kokku äärmuslike termiliste keskkondadega: päikesepoolne külg võib ületada 100 °C, samas kui varjutatud külg võib langeda alla -100 °C. See tohutu temperatuuride erinevus seab materjalidele ja seadmetele tõsise väljakutse. Rohelisel ränikarbiidil on väga soovitav omadus – suurepärane soojusjuhtivus. Selle soojusjuhtivus on 1,5–3 korda suurem kui tavalistel metallidel ja üle 10 korra suurem kui tavalistel keraamilistel materjalidel. See tähendab, et see suudab soojust kiiresti kuumadest piirkondadest külmadesse piirkondadesse üle kanda, vähendades lokaliseeritud ülekuumenemist. „Kaalume rohelise ränikarbiidi komposiitide kasutamist satelliitide soojusjuhtimissüsteemides,“ ütles lennundusdisainer, „näiteks soojustorude korpusena või soojusjuhtivate alusmaterjalidena, et muuta kogu süsteemi temperatuur ühtlasemaks.“
Lisaks on selle soojuspaisumistegur väga väike, vaid umbes 4×10⁻⁶/℃, mis on umbes viiendik alumiiniumisulamist. Selle suurus jääb temperatuurimuutustega peaaegu muutumatuks, mis on eriti väärtuslik omadus kosmosetööstuse optilistes süsteemides ja täpset joondamist nõudvates antennisüsteemides. „Kujutage ette,“ tõi disainer näite, „suurt orbiidil töötavat antenni, mille temperatuuride erinevus päikesepoolse ja varjutatud külje vahel on sadu kraadi Celsiuse järgi. Traditsiooniliste materjalide kasutamisel võivad soojuspaisumine ja kokkutõmbumine põhjustada konstruktsiooni deformatsiooni, mis mõjutab suunamistäpsust. Kui kasutatakse madala paisumisega rohelisi ränikarbiidist komposiitmaterjale, saab seda probleemi oluliselt leevendada.“
V. Varjatus ja kaitse: enamat kui lihtsalt „vastupidamine“
Kaasaegsetel lennundussõidukitel on üha kõrgemad nõudmised varjamisvõime osas. Radari varjamine saavutatakse peamiselt kuju kujundamise ja radarikiiri neelavate materjalide abil ning rohelisel ränikarbiidil on selles valdkonnas samuti kontrollitav potentsiaal. „Puhas ränikarbiid on pooljuht ja selle elektrilisi omadusi saab legeerimise teel reguleerida,“ tutvustas funktsionaalsete materjalide ekspert. „Saame kujundada ränikarbiidist komposiitmaterjale, millel on spetsiifiline takistus radarilainete neelamiseks teatud sagedusvahemikus.“ Kuigi see aspekt on alles uurimisjärgus, on mõned laborid juba tootnud ränikarbiidil põhinevaid komposiitmaterjalide proove, millel on hea radarikiiri neelamisvõime X-sagedusalas (8–12 GHz).
Ruumikaitse osas on kõvaduse eeliseksroheline ränikarbiidon samuti ilmne. Kosmoses on suur hulk mikrometeoore ja kosmoseprügi. Kuigi igaühe mass on väga väike, on nende kiirus äärmiselt suur (kuni kümneid kilomeetreid sekundis), mille tulemuseks on väga suur löögienergia. „Meie katsed näitavad, et rohelistel ränikarbiidist komposiitmaterjalidel on 3–5 korda suurem vastupidavus kiiretele osakeste löökidele võrreldes sama paksusega alumiiniumisulamitega,“ ütles kosmosekaitse uurija. „Kui seda tulevikus kosmosejaamade või süvakosmosesondide kaitsekihtides kasutada, võib see ohutust oluliselt parandada.“
Lennunduse ja kosmose arenduse ajalugu on teatud mõttes ka materjalide progressi ajalugu. Puidust ja lõuendist alumiiniumisulamiteni ning seejärel titaanisulamite ja komposiitmaterjalideni on iga materjaliuuendus teinud hüppe lennukite jõudluses. Võib-olla on roheline ränikarbiidi pulber ja selle komposiitmaterjalid järgmise hüppe oluliseks liikumapanevaks jõuks. Need materjaliteadlased, kes usinalt laborites uurivad ja tehastes tipptaseme poole püüdlevad, võivad vaikselt taeva tulevikku muuta. Ja roheline ränikarbiid, see pealtnäha tavaline materjal, võib olla nende käes olev „võlupulber“, mis aitab inimkonnal lennata kõrgemale, kaugemale ja ohutumalt.