طوّر باحثون من جامعة داليان للتكنولوجيا في الصين تصميمًا جديدًا لمادة خفيفة الوزن مستوحاة من قشرة البيض، قد تمهّد مستقبلًا لتطوير دروع أكثر كفاءة لحماية المركبات والأقمار الاصطناعية من الاصطدامات الخطرة بالحطام الفضائي، الذي يتحرك بسرعات هائلة في المدار حول الأرض.

وأوضح الباحثون أن التصميم يعتمد على هياكل صغيرة من الألمنيوم مملوءة بالماء، صُممت لامتصاص طاقة الاصطدامات عالية السرعة وتبديدها، ونُشرت نتائج الدراسة الثلاثاء في دورية Journal of Applied Physics . ويأتي هذا الابتكار في ظل تزايد المخاطر التي يشكلها الحطام الفضائي على الأقمار الاصطناعية والمركبات والتلسكوبات العاملة في المدار القريب من الأرض.

ويُقدّر العلماء وجود نحو مليون قطعة من الحطام الفضائي يزيد حجمها على سنتيمتر واحد، في حين تستطيع حتى الأجسام الأصغر إحداث أضرار بالغة عند اصطدامها بمركبة فضائية بسبب السرعات العالية التي تتحرك بها في المدار.

قشرة البيض تتحول إلى درع فضائي

استلهم الباحثون تصميمهم من الطريقة التي تتوزع بها وحدات قشرة البيض داخل بنية متكررة، بدلًا من الاعتماد على سطح واحد قد ينكسر بسهولة عند تعرضه لقوة مركزة. وصنع الفريق وحدات صغيرة من الألمنيوم تشبه قشور البيض، ورتبها جنبًا إلى جنب بين لوحين من الألمنيوم، ثم ملأها بالماء.

وعند اصطدام جسم سريع باللوح الخارجي، لا تنتقل قوة الضربة مباشرة إلى اللوح المقابل، بل تبدأ الوحدات في التشوه والانهيار بصورة متتابعة، ما يؤدي إلى توزيع قوة الاصطدام على مساحة أكبر وامتصاص الطاقة تدريجيًا. ومع تشوه كل وحدة، يُستهلك جزء من طاقة الاصطدام، فتصل كمية أقل منها إلى الجانب الآخر من الهيكل.

كما أظهرت الاختبارات أن وجود الماء داخل الوحدات يعزز قدرة التصميم على التعامل مع الصدمات. فعند وقوع اصطدام قوي، تتحرك المياه داخل الهياكل، ويسهم تفاعلها مع الألمنيوم في الحد من انتشار موجات الصدمة، بما يساعد على امتصاص جزء من الطاقة وتبديدها بدلًا من انتقالها مباشرة عبر الدرع.

خفض سرعة المقذوف 65%

واختبر الباحثون عدة تصاميم باستخدام نماذج مصنعة بالطباعة ثلاثية الأبعاد إلى جانب محاكاة حاسوبية، وشملت المقارنة ألواح الألمنيوم وحدها، وكرات ألمنيوم مملوءة بالماء موضوعة بين ألواح الألمنيوم، إضافة إلى الهيكل المستوحى من قشرة البيض.

وأظهر التصميم المستوحى من قشرة البيض أفضل أداء بين النماذج المختبرة، إذ تمكن من تحمل أحمال مرتفعة وخفّض سرعة المقذوف المستخدم في الاختبار بنحو 65%، مقارنة بانخفاض بلغ 51% عند استخدام ألواح الألمنيوم وحدها.

ووجد الفريق كذلك أن اتجاه وحدات قشرة البيض داخل الهيكل يؤثر في كفاءتها، وكانت الوحدات الموضوعة بصورة قائمة، بحيث يكون طرفها الأصغر ملامسًا للوح العلوي، الأكثر فاعلية بين الاتجاهات التي جرى اختبارها.

ويرى الباحثون أن أهمية التصميم لا تكمن في زيادة سماكة الدرع المعدنية، وإنما في هندسة المادة نفسها لتوزيع طاقة الاصطدام وتبديدها، وهو نهج قد يكون ذا أهمية خاصة في قطاع الفضاء، حيث يمثل الوزن عاملًا حاسمًا، إذ تؤدي كل زيادة في كتلة المركبة إلى ارتفاع تكاليف إطلاقها.

ومع ذلك، شدد الباحثون على أن التصميم لا يزال في مرحلة البحث والتطوير، ولم يتحول بعد إلى درع جاهزة للاستخدام في المركبات الفضائية، مؤكدين أن الهياكل خفيفة الوزن المستوحاة من الطبيعة تمثل مسارًا واعدًا لتطوير وسائل حماية من الاصطدامات فائقة السرعة في المستقبل.