Kurb, aga tõsi: süsiniknanotorud on kosmoselifti ehitamiseks liiga nõrk materjal

 (33)
Kurb, aga tõsi: süsiniknanotorud on kosmoselifti ehitamiseks liiga nõrk materjal
https://www.dontpaniconline.com

Süsiniknanotorusid (ingl CNT, carbon nanotube) peetakse üldiselt imematerjaliks, mis võimaldab ellu viia kõikmõeldavaid ülitugevaid ja -kergeid konstruktsioonilahendusi võidusõidu-jalgratastest arvutidetailideni.

Nüüd aga tuleb välja, et ühest ainsast valesti paiknevast aatomist piisab, et materjali tugevust rohkem kui kaks korda vähendada. See tähendab, et üks pöörasematest süsiniknanokiududele välja pakutud kasutusviisidest — nimelt nende rakendamine ulmelise kosmoselifti kaablina — ei pruugi kunagi tõeks saada, kirjutab NewScientist.

Süsiniktorude tugevuse aluseks on nende aatomstruktuur, kus toru seinad moodustuvad kuuskülik-sõrestikus paiknevate süsinikuaatomite ühe aatomi paksusest kihist. Teoreetilised kalkulatsioonid on mõista andnud, et üheainsa süsiniknanotoru tõmbetugevus on sada gigapaskalit (GPa), mis tähendab, et tegu on ühe tugevama materjaliga üldse, ent katsed palmitseda nanotorusid hulgakaupa praktiliselt kasutatavate gabariitidega kiukimpudesse on seni andnud tulemuseks vaid 1 GPa suuruse tõmbetugevusega köisi.

Selgitamaks välja, miks see nii on, matkisid Hongkongi polütehnilise instituudi materjaliteadlane Feng Ding ja tema kolleegid raalmudelis sellist süsiniknanotoru, mille üksainus aatom oli vales kohas, nii et kaht kuuskülikut moodustama pidanud aatomid paigutusid selle asemel ühte viiskülikusse ja ühte seitsekülikusse ning torusse tekkis väändekoht.

Seotud lood:

Selgus, et tollest imetillukesest muudatusest piisas süsiniknanotoru tõmbetugevuse kahandamiseks ideaalselt tugevuselt 40 gigapaskalini. Valesti joondatud aatomite hulga tõstmisel osutus nõrgestav mõju veelgi rängemaks.

Töörühma loodud digisimulatsioonid näitavad, et muidu tugevad süsinikuaatomite vahelised sidemed purunevad väändekohas kergesti. Kui see juhtub, purunevad sidemed ka külgnevates kuuskülikutes ning kogu toru hargneb laiali nagu tõmblukust tõmmatult. Kokkupunumise mõju süsiniknanotorudele on samasugune — kui üks toru puruneb, kasvab koormus teistele, mis hakkavad omakorda järgemööda katkema.

Tulemused annavad mõista, et ühest valesti paiknevast aatomist piisab kogu süsiniknanokiu nõrgestamiseks ning kuna hetkel pole nanotorude tootmise protsessid veel täiuslikkuseni lihvitud, on tulemuseks paratamatult mõne vigase nanotoruga kiukimbud.

„Oma ideaalset tugevust suudavad säilitada vaid äärmiselt kvaliteetsed süsiniknanotorud,“ nentis Ding. „Suurem osa hulgi toodetud süsiniknanokiududest on üsna defektsed, kvaliteetseid kiude on suurtes kogustes aga raske toota.“

See on halb uudis nende jaoks, kes soovivad ehitada kosmoselifti — kaablit Maa ja geostatsionaarsel orbiidil paikneva tehiskaaslase vahele, mis võimaldaks tulevikus asju ja inimesi kergemini kosmosesse toimetada.

Hinnangute kohaselt peaks seesuguse ulmekaabli tõmbetugevus olema vähemalt 50 GPa, mistõttu nähti süsiniknanotorudes paljulubavat lahendust, kuid Dingi ja kolleegide uuring anna mõista, et praeguse tootmiskvaliteedi juures see ei töötaks. „Kuni süsiniknanotorude sünteesimise vallas ei toimu olulisi murranguid, on nende rakendamine kosmoselifti ehitamiseks äärmiselt keeruline väljakutse,“ märkis teadlane.