تخيل أنك تقود سيارتك إلى العمل في يوم ممطر، عندما يصطدم سائق مشتت ومتهور بسيارتك من العدم. باستخدام “ذراع الرافعة”، تنتفخ الوسادة الهوائية بشكل أسرع من سرعة غمضة عينك لإنقاذ حياتك.
تنتشر هذه الوسادة الهوائية بسرعة بفضل مادة نشطة تسمى أزيد الصوديوم، والتي تولد غاز النيتروجين أثناء تفاعل كيميائي لنفخ الوسادة الهوائية. ولكن ما هي المادة النشطة؟
تشمل المواد النشطة الوقود الدافع والألعاب النارية والوقود والمتفجرات، ويتم استخدامها في جميع أنواع الإعدادات.
تشمل استخدامات المواد النشطة المشاعل، وأعواد الثقاب، ومعززات الصواريخ الصلبة، ووقود الأسلحة، ولحام الثرمايت الساخن المستخدم لدمج المواد معًا، والألعاب النارية والمؤثرات الخاصة المتفجرة في فيلم الحركة المفضل لديك.
تأتي المواد النشطة بأشكال وأحجام عديدة، لكنها غالبًا ما تكون في حالة صلبة وتطلق الكثير من الطاقة من خلال الاحتراق أو الانفجار، اعتمادًا على شكلها والظروف التي تعمل فيها.
أنا أستاذ الهندسة الميكانيكية الذي يدرس المواد النشطة. إن صنع المواد النشطة ليس بالأمر السهل، لكن التطورات في الطباعة ثلاثية الأبعاد يمكن أن تجعل التخصيص أسهل، مع السماح بمزيد من التطبيقات العلمية المحتملة.
دور الهندسة
تؤثر كيفية تصنيع المواد النشطة على الأشكال التي تأتي بها وكيفية إطلاق الطاقة بمرور الوقت. على سبيل المثال، يتم تصنيع الوقود الدفعي الصاروخي الصلب بشكل مشابه للكعكة، حيث يقوم خلاط قائم بتحريك “الخليط”، الذي يتكون في الغالب من بيركلورات الأمونيوم والألومنيوم ومادة رابطة مطاطية، قبل صبه في المقلاة. تتجمد “الكعكة” في المقلاة أثناء خبزها في الفرن.
عادةً ما يكون للوقود الصاروخي شكل أسطواني، ولكن مع وجود قضيب في المنتصف. غالبًا ما يكون للقضيب شكل مقطع عرضي محدد، مثل دائرة أو نجمة. عندما يتصلب الوقود الدافع، تتم إزالة القضيب، تاركًا الشكل الأساسي خلفه.
يؤثر الشكل الأساسي على كيفية احتراق الوقود الدافع، مما قد يؤثر على دفع المحرك المستخدم فيه. فقط عن طريق تغيير الشكل المركزي للوقود الدافع، يمكنك جعل المحرك يتسارع أو يبطئ أو يحافظ على سرعته بمرور الوقت.
لكن عملية “خبز الكعك” التقليدية هذه تحد من الأشكال التي يمكنك صنعها. يجب أن تكون قادرًا على إزالة القضيب بعد أن يتصلب الوقود الدافع، لذلك إذا كان شكل القضيب معقدًا جدًا، فقد تنكسر الوقود الدافع، مما قد يجعله يحترق بشكل غير منتظم.
يعد تصميم أشكال الوقود الدافع التي تجعل الصواريخ تتحرك بشكل أسرع أو تطير لمسافة أبعد مجالًا نشطًا للبحث، لكن المهندسين يحتاجون إلى أساليب تصنيع جديدة لإنشاء هذه التصميمات المعقدة بشكل متزايد.
الطباعة ثلاثية الأبعاد للإنقاذ
أحدثت الطباعة ثلاثية الأبعاد ثورة في التصنيع بعدة طرق، ويحاول الباحثون مثلي فهم كيف يمكنها تحسين أداء المواد النشطة. تستخدم الطباعة ثلاثية الأبعاد الطابعة لتكديس المواد طبقة تلو الأخرى لبناء كائن.
تتيح لك الطباعة ثلاثية الأبعاد إنشاء أشكال مخصصة وطباعة أنواع متعددة من المواد في جزء واحد وتوفير المال والمواد.
ومع ذلك، فإن الطباعة ثلاثية الأبعاد للمواد النشطة تمثل تحديًا كبيرًا لعدة أسباب. بعض المواد النشطة شديدة اللزوجة، مما يعني أنه من الصعب جدًا إخراج هذا الخليط من أنبوب بفوهة صغيرة. تخيل أنك تقوم بعصر الطين من محقنة صغيرة – فالمادة سميكة جدًا بحيث لا يمكن تحريكها بسهولة عبر الثقب الصغير.
بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تكون المواد النشطة خطيرة إذا تم التعامل معها بشكل غير صحيح. يمكن أن تشتعل إذا كان هناك الكثير من الحرارة أثناء عملية التصنيع أو أثناء التخزين، أو إذا تعرضت لصدمة كهربائية ثابتة.
التقدم الأخير
وعلى الرغم من ذلك، فقد أحرز الباحثون الكثير من التقدم في العقد الماضي للتغلب على بعض هذه التحديات. على سبيل المثال، قام العلماء بطباعة أحبار تفاعلية ثلاثية الأبعاد على الأجهزة الإلكترونية لتمكينها من التدمير الذاتي إذا وقعت في الأيدي الخطأ.
من الناحية النظرية، يمكنك أيضًا طباعة هذه الأحبار بشكل استراتيجي على الأقمار الصناعية القديمة أو محطة الفضاء الدولية القديمة لتفكيك هذه الأجهزة المدارية إلى حطام صغير بما يكفي يحترق في الغلاف الجوي قبل أن يصل إلى الأرض.
يبحث العديد من الباحثين في استخدام الوقود الدفعي للطباعة ثلاثية الأبعاد. إن تعديل شكل الوقود الدافع للأسلحة يمكن أن يؤدي إلى إنتاج رصاصات يمكنها التحليق لمسافة أبعد.
وقد سعى آخرون إلى استخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد لتقليل التأثير البيئي للوقود الدافع للمسدسات وأجهزة الإشعال التي تتطلب تصنيعها مذيبات قاسية. هذه المذيبات غير آمنة ويصعب التخلص منها ويمكن أن تضر بالبيئة وصحة الناس.
لقد أوضحت أنه من الممكن الطباعة ثلاثية الأبعاد للوقود الصاروخي الصلب الذي له خصائص مماثلة للوقود التقليدي الصنع. ومن خلال هذا البحث، لدينا الآن الفرصة لاستكشاف كيفية احتراق الوقود الدافع المصنوع من مواد متعددة، وهو مجال جديد.
على سبيل المثال، بدلًا من استخدام قضيب لصنع شكل مقطعي في مادة دافعة، يمكنك طباعة مادة شديدة التفاعل بتقنية ثلاثية الأبعاد يمكنك إضافتها إلى المركز. بدلًا من الاضطرار إلى إزالة تلك المادة المركزية، يمكنك حرقها بسرعة كبيرة بحيث تترك شكلًا أساسيًا خلفها. ستضيف المادة التفاعلية أيضًا طاقة إلى الوقود الدافع. وهذا من شأنه أن يلغي الحاجة إلى استخدام وإزالة قضيب لصنع قلب مركزي.
في حين أن الكثير من هذه الأبحاث لا تزال في بداياتها، فإن شركات مثل X-Bow كانت تنتج وقودًا دافعًا للطباعة ثلاثية الأبعاد وتجري اختبارات طيران ناجحة باستخدام هذه المحركات.
أخيرًا، قام العديد من الباحثين بدراسة كيفية انفجار المتفجرات المطبوعة ثلاثية الأبعاد. عندما تتم طباعة المتفجرات في شبكة على شكل شبكة، فإنها تتفاعل بشكل مختلف عندما تمتلئ مسامها بالهواء أو الماء. تنتج هذه العملية مادة متفجرة أكثر أمانًا “قابلة للتحويل” ولا تتفاعل إلا في بيئة معينة.
لا تزال الطباعة ثلاثية الأبعاد للمواد النشطة مجالًا جديدًا. لا يزال أمام العلماء طريق طويل قبل أن نفهم تمامًا كيف تؤثر الطباعة ثلاثية الأبعاد على سلامتهم وأدائهم. لكن كل يوم، يجد العلماء مثلي طرقًا جديدة لاستخدام علم الطاقة المطبوع ثلاثي الأبعاد لخدمة أغراض حاسمة، وفي بعض الأحيان منقذة للحياة.
تم إعادة نشر هذا المقال من The Conversation، وهي منظمة إخبارية مستقلة غير ربحية تقدم لك حقائق وتحليلات جديرة بالثقة لمساعدتك على فهم عالمنا المعقد. كتب بواسطة: مونيك ماكلين، جامعة بوردو
اقرأ أكثر:
تتلقى مونيك ماكلين تمويلًا من مكتب القوات الجوية للبحث العلمي (AFOSR)، ومكتب أبحاث الجيش (ARO)، والإدارة الوطنية للملاحة الجوية والفضاء (NASA).