Δημιουργήθηκε ένα ένα νέο αβύθιστο υλικό για κατασκευή θαλάσσιων υποδομών

Αυστραλοί μηχανικοί ανέπτυξαν ένα ισχυρό και ελαφρύ υλικό από τιτάνιο το οποίο παραμένει στην επιφάνεια του νερού ακόμη και μετά από σοβαρές ζημιές προσφέροντας μια πιθανή νέα λύση για θαλάσσιες υποδομές.

Πλωτήρες, πλωτοί αισθητήρες και άλλες θαλάσσιες κατασκευές βασίζονται σε στεγανοποιημένους χώρους για να κρατούν το νερό έξω και να παραμένουν στην επιφάνεια. Μια σοβαρή ρωγμή μπορεί να προκαλέσει την εισροή νερού σε αυτούς τους χώρους και να οδηγήσει ολόκληρη την κατασκευή στον βυθό. Ως εκ τούτου οι μηχανικοί χρειάζονται υλικά που μπορούν να αντέξουν τις σκληρές θαλάσσιες συνθήκες χωρίς να θυσιάζουν την αντοχή, το χαμηλό βάρος ή την πλευστότητα. Ο ανοξείδωτος χάλυβας και τα πλαστικά υψηλής πυκνότητας χρησιμοποιούνται ευρέως για τέτοιου είδους εξοπλισμό, όμως κανένα από τα δύο δεν λύνει το πρόβλημα της διατήρησης της πλευστότητας μιας κατασκευής που έχει υποστεί ζημιές.

Οι μεταλλικές δικτυωτές δομές φαίνεται να είναι ιδιαίτερα κατάλληλες για αυτή την πρόκληση καθώς τα περίπλοκα πλέγματα τους μπορούν να είναι εξαιρετικά ελαφριά, διατηρώντας παράλληλα σημαντική αντοχή. Ωστόσο η ανοιχτή αρχιτεκτονική τους δημιουργεί ένα θεμελιώδες πρόβλημα μέσα στο νερό. Το υγρό μπορεί να κινείται ελεύθερα μέσα από τους διασυνδεδεμένους χώρους εξαλείφοντας το πλεονέκτημα της πλευστότητας που θα μπορούσε να προσφέρει η χαμηλή συνολική πυκνότητά τους.

«Παρότι οι μεταλλικές δικτυωτές δομές μπορούν να είναι απίστευτα ελαφριές —με πυκνότητα μικρότερη από το ένα δέκατο της πυκνότητας του νερού— οι ανοιχτοί διασυνδεδεμένοι χώροι τους επιτρέπουν στο νερό να εισέρχεται, με αποτέλεσμα να βυθίζονται. Αυτό είχε καταστήσει αυτές τις ισχυρές και ελαφριές κατασκευές ακατάλληλες για θαλάσσιες υποδομές μέχρι τώρα».» δήλωσε ο Δρ. Τζόρνταν Νορονά, επικεφαλής ερευνητής από το Κέντρο Προσθετικής Κατασκευής του Πανεπιστημίου RMIT στη Μελβούρνη.

Ράβδοι γεμισμένες με αφρό

Οι ερευνητές αντιμετώπισαν αυτή την αδυναμία εκτυπώνοντας τρισδιάστατα μια δικτυωτή δομή από τιτάνιο, αποτελούμενη από κοίλες, διασυνδεδεμένες ράβδους, και γεμίζοντας αυτές τις ράβδους με αφρό πολυουρεθάνης. Οι χώροι γύρω από τις ράβδους παραμένουν ανοιχτοί έτσι ώστε το νερό να μπορεί να περνά μέσα από το ίδιο το πλέγμα, αντί να εμποδίζεται από ένα σφραγισμένο εξωτερικό κέλυφος.

«Γεμίζοντας μόνο τις κοίλες ράβδους τιτανίου με αφρό πολυουρεθάνης δημιουργήσαμε μια κατασκευή που επιτρέπει στο νερό να ρέει μέσα από αυτήν ενώ παραμένει πλωτή ακόμη και μετά από σημαντικές ρωγμές και ζημιές» δήλωσε ο Νορονά.

Τα δείγματα παρέμειναν στην επιφάνεια του γλυκού νερού για περισσότερους από δύο μήνες παρέχοντας παρατεταμένες ενδείξεις της πλευστότητάς τους. Σύμφωνα με τους ερευνητές η εργασία αποτελεί την πρώτη δημοσιευμένη επίδειξη ενός πλωτού μεταλλικού-υβριδικού δικτυωτού μεταϋλικού.

Ένας νέος κανόνας για την πρόβλεψη της πλευστότητας

Η πρόβλεψη του κατά πόσο μια ανοιχτή κατασκευή αυτού του τύπου θα επιπλέει απαίτησε από την ομάδα να επανεξετάσει τον τρόπο με τον οποίο υπολογίζεται η πυκνότητά της. Οι συμβατικοί υπολογισμοί λαμβάνουν υπόψη όλο τον κενό χώρο στο εσωτερικό ενός πλέγματος παρότι ο χώρος αυτός μπορεί να γεμίσει με νερό και επομένως δεν συμβάλλει καθόλου στη διατήρηση της κατασκευής πάνω από την επιφάνεια.

Οι ερευνητές ανέπτυξαν αντί γι’ αυτό μια μέτρηση που ονομάζεται «σκελετική πυκνότητα» η οποία λαμβάνει υπόψη μόνο τα τμήματα της κατασκευής που αποκλείουν το νερό. Στον συγκεκριμένο σχεδιασμό αυτά τα τμήματα είναι τα τοιχώματα από τιτάνιο και τα στεγανοποιημένα κανάλια στο εσωτερικό τους, τα οποία είναι γεμισμένα με αφρό.

«Αυτό δίνει στους μηχανικούς έναν απλό κανόνα σχεδιασμού: εάν η σκελετική πυκνότητα είναι μικρότερη από εκείνη του περιβάλλοντος υγρού, η κατασκευή θα επιπλέει ακόμη και όταν το νερό ρέει μέσα από όλα τα εξωτερικά ανοίγματά της» λέει ο Νορονά.

Αντοχή και πλευστότητα διατηρούνται παρά τις ζημιές

Η δικτυωτή δομή από τιτάνιο μπορούσε επίσης να αντέξει σημαντικά μεγαλύτερα φορτία σε σύγκριση με υλικά που χρησιμοποιούνται ήδη σε θαλάσσιες εφαρμογές. Όταν οι ερευνητές συνέκριναν υλικά με την ίδια συνολική πυκνότητα η κατασκευή τους ήταν κατά 70% ισχυρότερη από τον ανοξείδωτο χάλυβα ή το πολυαιθυλένιο υψηλής πυκνότητας.

Η έκθεση στο θαλασσινό νερό προκάλεσε σχετικά μικρή υποβάθμιση κατά τη διάρκεια των βραχυπρόθεσμων δοκιμών. Μετά από δύο εβδομάδες βύθισης σε φυσικό θαλασσινό νερό που συλλέχθηκε από τον κόλπο Port Phillip Bay της Μελβούρνης η δικτυωτή δομή είχε χάσει μόλις το 0,15% της μάζας της, ενώ η αντοχή της είχε μειωθεί κατά λιγότερο από 1%.

Ούτε οι ρωγμές και οι δομικές αστοχίες έθεσαν άμεσα σε κίνδυνο την πλευστότητα. Η υβριδική δικτυωτή δομή συνέχισε να επιπλέει ακόμη και μετά από σημαντικές ζημιές, στις οποίες περιλαμβάνονταν ρωγμές, αστοχίες σε κρίσιμα σημεία σύνδεσης και η θραύση ενός ολόκληρου στρώματος του πλέγματος. Βυθίστηκε μόνο αφού είχε υποστεί σοβαρή σύνθλιψη και συμπίεση.

«Μικροσκοπικές, σφραγισμένες κυψέλες στον αφρό παγιδεύουν αέριο και εμποδίζουν το νερό να πλημμυρίσει τις κοίλες ράβδους. Με αυτόν τον τρόπο, ο αφρός λειτουργεί ως ένα κατανεμημένο φράγμα που βοηθά την κατασκευή να παραμένει στην επιφάνεια μετά από ζημιές σε αντίθεση με τις συμβατικές κοίλες θαλάσσιες κατασκευές, οι οποίες μπορούν να γεμίσουν γρήγορα με νερό όταν υποστούν ρωγμές» εξηγεί ο Νορονά.

Η ομάδα κατασκεύασε έναν τρισδιάστατα εκτυπωμένο θαλάσσιο πλωτήρα προκειμένου να δείξει πώς θα μπορούσε να λειτουργήσει στην πράξη αυτός ο συνδυασμός ανοιχτής δομής και κατανεμημένης πλευστότητας. Σε μια δεξαμενή με ταραγμένο θαλασσινό νερό ο πλωτήρας παρέμεινε σταθερός καθώς περιστρεφόταν έως και κατά 45 μοίρες χωρίς στεγανοποιημένο περίβλημα προστατευτική επίστρωση ή πρόσθετο σύστημα πλευστότητας.

Οι νέες δοκιμές

Ο επικεφαλής του έργου διακεκριμένος καθηγητής Μα Τσιάν, δήλωσε ότι οι ερευνητές σχεδιάζουν τώρα να αυξήσουν την κλίμακα των δοκιμαστικών κατασκευών τους και να εξετάσουν πώς αποδίδει το υλικό για μεγαλύτερα χρονικά διαστήματα, υπό ρεαλιστικές θαλάσσιες συνθήκες και συνθήκες βαθέων υδάτων.

Η εσωτερική δομή του μπορεί επίσης να τροποποιηθεί για χρήσεις πέρα από την πλευστότητα. «Αλλάζοντας το υλικό στο εσωτερικό του πλαισίου από τιτάνιο, θα μπορούσαμε να προσαρμόσουμε μια παρόμοια κατασκευή για απορρόφηση ενέργειας, θερμική διαχείριση, έλεγχο κραδασμών και άλλες εφαρμογές» δήλωσε ο Τσιάν.

Naftemporiki.gr