Aerokosmický průmysl nabízí nové supermateriály. Dosud je znali jen čtenáři sci-fi

Materiálový výzkum prováděný aerokosmickým průmyslem už ovlivňuje každodenní život pozemšťanů více než jedno století − od teflonu v kuchyních přes komunikace, počítačovou techniku, medicínské senzory a implantáty až třeba po fotovoltaické panely. Mohutný nástup soukromých firem do vesmíru povede nejen ke komercionalizaci vesmíru, ale především k ještě rychlejšímu zavádění kosmických technologií do pozemské praxe.

"Máme jedinečné zkušenosti s vývojem materiálů pro vesmírné aplikace," konstatuje web Technology Transfer Program americké kosmické agentury NASA. "Nabízíme je pro řešení největších technologických výzev současnosti v průmyslu i domácnostech.“ Materiálový výzkum prováděný aerokosmickým průmyslem už ovlivňuje každodenní život pozemšťanů více než jedno století − od teflonu v kuchyních přes komunikace, počítačovou techniku, medicínské senzory a implantáty až třeba po fotovoltaické panely. Mohutný nástup soukromých firem do vesmíru povede nejen ke komercionalizaci vesmíru, ale především k ještě rychlejšímu zavádění kosmických technologií do pozemské praxe.

NASA se při technologickém výzkumu zaměřuje především na hledání nových typů kompozitních materiálů, dále tzv. tribologických materiálů (tj. materiálů plnících ochrannou funkci proti různým druhům poškození a opotřebení konstrukčních prvků), nanomateriálů (zejména těch, které jsou odvozené od struktur uhlíkových atomů − fulerenů), materiálů odolávajících extrémním teplotám, izolantů a tzv. chytrých materiálů (tj. takových, které dokážou reagovat na vnější podmínky, samy se opravit a podobně).

Obdobný program řízený Úřadem pro přenos technologií (TTPO) má i Evropská kosmická agentura (ESA). Mezi nejžádanější položky z jeho nabídky patří právě výsledky materiálového výzkumu, protože mezi nimi jsou mimořádně lehké a odolné hmoty. ESA také zkonstruovala zařízení Materials Science Laboratory, které nyní slouží k materiálovému výzkumu na Mezinárodní kosmické stanici − opět s cílem vylepšování pozemských technologií. "Mezi žádané výstupy našeho materiálového výzkumu patří například tkaniny vyvinuté pro skafandry, extrémně účinné tepelné izolanty, povlaky schopné zaznamenávat dopady mechanické i jiné podněty, materiálové systémy pro redukci vibrací nebo technologie pro výrobu nové generace lehčích a pevnějších uhlíkových vláken," uvádějí dokumenty ESA.

Z vesmíru k pozemským aplikacím

Jedním z nejzajímavějších přínosů aerokosmického průmyslu pro pozemské aplikace jsou kompozity. Obecně jde o nehomogenní materiály skládající se z několika vrstev, z nichž každá má odlišné mechanické charakteristiky. Díky tomu má celek lepší vlastnosti než jednotlivé složky. Kompozit se skládá ze dvou složek nebo také fází: z homogenní matrice, nejčastěji polymeru, a z nehomogenní výztuže, mající podobu vláken nebo částic, které jsou do matrice zabudované. Všeobecně známým kompozitem je například sklolaminát, kde matrici tvoří epoxidová nebo polyesterová pryskyřice zajišťující pevnost, zatímco výztuží jsou skelná vlákna nebo tkaniny dávající materiálu pružnost.

Aerokosmický průmysl dnes využívá především polymerní kompozity vyztužené uhlíkovými vlákny (CFRP), které jsou při extrémní pevnosti mimořádně lehké. Další předností je, že změnami uspořádání a složení matrice a výztuh při výrobě lze vytvořit prvky a struktury pro využití v nejnáročnějších podmínkách. Díky tomu se CFRP materiály uplatňují nejen v trupech, žebrech a výztuhách letadel a raket, ale i pro teplotně namáhané části jejich povrchů, a dokonce pro extrémně namáhané prvky tryskových a raketových motorů.

Výzkum a vývoj CFRP se zaměřuje především na vylepšování matric a výztuží. Objevují se nové receptury složení matric, které usilují o dlouhodobou stálost i v nejextrémnějších podmínkách. Velké naděje jsou vkládány do polymerů vyztužených alumidy (nylonovými vlákny s přídavkem hliníkového prášku) nebo křemičitany. Výzkum se zabývá také vylepšováním vazeb v rozhraní mezi vláknem a matricí.

Ještě zajímavějším kompozitem jsou tzv. polymerní nanokompozity (PCN), v nichž výztuhu tvoří uhlíková nanovlákna nebo nanotrubice. Mají vyšší pevnost a tuhost než CFRP při nižší hmotnosti. S vylepšováním uhlíkových kompozitů souvisí i zdokonalování metod výroby a nedestruktivních metod kontroly, kdy cílem je zlevnit produkci a zajistit předem definované vlastnosti.

Další vývoj se podle odborníků bude ubírat k pokročilým polymerům a kompozitům s ovladatelnými elektrickými a optickými vlastnostmi, k ultralehkým materiálům, materiálům s tvarovou pamětí nebo k tenkým filmům. Kromě vesmíru naleznou široké uplatnění také v pozemské robotice, elektronice, dopravních prostředcích, stavebnictví, medicíně a mnoha dalších odvětvích.

Chytré materiály

Umělé materiály sice ty přírodní v ledasčem překonávají, v jednom ale zaostávají: neumějí se samy opravit. Napodobit mechanismy hojení asi hned tak nepůjde, protože jsou na molekulární úrovni velmi složité. Přesto by se taková schopnost velmi hodila, a to nejen ve vesmíru. Pracoviště NASA hledají nebiologické cesty, jak získat hmoty, které by samy zacelovaly rány po mikrometeoritech na povrchu satelitů, kosmických lodí nebo planetárních stanic. Jde o jeden z příkladů materiálů, jimž se říká smart − chytré.

V případě hmot "hojících" mechanická poškození jde nejčastěji o kompozitní polymery, ovšem s jiným uspořádáním než CFPR. Skládají se z pevné nebo elastické matrice a velkého množství nanokapslí obsahujících tekutinu, která mimo kapsli okamžitě tuhne. Pokud tedy dojde k mechanickému porušení pláště lodi nebo satelitu, kapsle na tomto místě popraskají a tuhnoucí kapalina trhlinu vzápětí zacelí. Na Zemi už se takové materiály zkoušejí například v displejích mobilů nebo ve fotovoltaických panelech.

Další zajímavou kategorií chytrých materiálů jsou takové, které umí podle potřeby měnit tvar, rozměry, skupenství, barvu nebo jiné vlastnosti. Příkladem může být křídlo letadla bez vztlakových klapek a dalších mechanických prvků, které se − podobně jako u ptáků − dokáže deformovat jako celek. Amesovo výzkumné středisko NASA testuje v aerodynamickém tunelu prototyp křídla složeného z velkého množství destiček reagujících na měnící se proudění vzduchu. Křídlo díky tomu dokáže automaticky změnit tvar při změně letového režimu i bez řídících impulzů. Destičky jsou složené z kombinace několika speciálních polymerů uspořádaných tak, aby v důsledku změny tlaku požadovaným způsobem měnily tvar. Technologie se může uplatnit u větrných generátorů, rychlovlaků a v dalších oborech.

NASA také řadu let podporuje laboratoře vyvíjející umělé svaly − vláknité materiály, které se smršťují či protahují pod vlivem elektrického napětí, chemického složení prostředí nebo jiných faktorů. Mají řadu perspektivních využití, od elektroniky (například senzory a ovládací prvky) přes robotiku až po náhrady lidských končetin. Konstruktéři jim předpovídají velkou budoucnost, protože − na rozdíl od klasických motorů − nemají rotující části ani ložiska, takže vykazují větší životnost a efektivnost. Nejčastěji se pro tento účel zkoumají tzv. elektroaktivní polymery, které však jsou zatím poměrně drahé. Vědecká pracoviště proto usilovně hledají levnější náhrady.

Jedním z posledních výstupů vývoje chytrých materiálů je "fotonická slunečnice" z Tufts University v Massachusetts. Opět jde o kompozit, v němž organickou složku tvoří elastomer a anorganickou krystaly reagující na světlo. Praktické uplatnění může najít například ve fotovoltaických panelech otáčejících se za sluncem, v termoregulačních prvcích staveb nebo v robotech.

Zmražený dým

Jedním z materiálů, na jehož vzniku se významným způsobem podílel aerokosmický průmysl, je aerogel − vůbec nejlehčí známá pevná hmota. Jde sice o anorganickou látku (oxid křemičitý), ale zkoumají se i kompozity s organickými vrstvami nebo vlákny disponujícími mimořádnými vlastnostmi. Díky obrovskému vnitřnímu povrchu se také nabízí jeho použití jako katalyzátoru v chemických provozech.

Aerogel má pouze třikrát větší hustotu než vzduch, zatímco vnitřní povrch kousku velkého jako kostka cukru má rozlohu basketbalového hřiště. Blok velikosti člověka váží méně než půl kilogramu, přesto je schopen unést půltunový osobní automobil. Zápalka se na tenké desce aerogelu nevznítí, ani když ji zespoda zahříváte propanovým hořákem. Přitom aerogel je jediná hmota s výraznými tepelněizolačními schopnostmi, která je současně také čirá. Proto se mu říká rovněž zmražený dým.

Aerogel sice poprvé vědci vyrobili už ve 30. letech minulého století, ale nepodařilo se vyvinout velkovýrobní technologii, která by umožnila ekonomickou produkci přesně definovaných vlastností. Látka tak musela počkat na své znovuobjevení až do doby kosmických letů. Tehdy se ukázalo, že vzorky pokusně vyrobené ve stavu beztíže mají několikanásobně lepší parametry než aerogel vyrobený na Zemi. Následovaly proto další experimenty na palubě raketoplánů a Mezinárodní kosmické stanice, jejichž cílem je zjistit, které faktory ovlivňují velikost částic aerogelu, jeho vnitřní strukturu a optické vlastnosti. To by mohlo otevřít cestu k ekonomicky efektivní výrobě na Zemi.

Článek byl publikován ve speciální příloze HN Moderní plasty.