اخیراً محققانی از Politecnico di Torino ایتالیا، روش عددی چندمقیاسه جدیدی را برای شبیهسازی خصوصیات مکانیکی کابلهای بزرگمقیاسی ابداع کردهاند که از نانولولههای کربنی ساخته شدهاند. یافتههای این محققان نشان میدهد که مقاومت این کابلهای نانولولهای بزرگمقیاس برخلاف فرضیات پیشین، حدود یکدهمِ مقاومت نظری نانولولههاست و میتوان از آنها در ساخت بالابر فضایی استفاده کرد.
رفتن به کیهان به کمک فناورینانو
اخیراً محققانی از Politecnico di Torino ایتالیا، روش عددی چندمقیاسه جدیدی را برای شبیهسازی خصوصیات مکانیکی کابلهای بزرگمقیاسی ابداع کردهاند که از نانولولههای کربنی ساخته شدهاند. یافتههای این محققان نشان میدهد که مقاومت این کابلهای نانولولهای بزرگمقیاس برخلاف فرضیات پیشین، حدود یکدهمِ مقاومت نظری نانولولههاست و میتوان از آنها در ساخت بالابر فضایی استفاده کرد.
مشکلترین گام در ساخت بالابر فضایی، دستیابی به کابلی مناسب با نسبتِ مقاومت به وزنِ مورد نیاز است؛ به عبارت دیگر باید به مادهای دست یافت که ضمن سبکی، به اندازه کافی مقاوم بوده و برای ساخت کابلی با طولِ صدهزار کیلومتر، مناسب باشد. فناورینانو، نانولولههای کربنی را برای چنین کاربردی پیشنهاد میدهد؛ اما چالش موجود در این زمینه، نحوه بافتنِ نانولولههای کربنی اولیه و ساخت یک نوار برای استفاده بهعنوان کابل بالابر فضایی است. پیش از آغاز مراحل عملی ساخت کابل، با توجه به موانع فنی ساختِ چنین کابلی، محققان باید مدلهایی را تهیه کرده، به کمک شبیهسازی، خصوصیات بهینه کابل(مانند اندازه و شکل) را تعیین کنند.
دکتر نیکولا پاگنو درباره روش ابداعی گروه خود میگوید: «ما برای انجام آزمایشهای کشش بر روی کابلهای نانولولهای بزرگمقیاس با طولهای مختلف، هزاران شبیهسازی تصادفی چندمقیاسه انجام دادیم.» وی و همکارانش برای نخستین بار نشان دادهاند که یک مدل رایانهای میتواند یک کابل نانولولهای چندکیلومتری را شبیهسازی کند. برای بررسی مقیاسهای طولِ مذکور، ضرورتاً باید از شبیهسازیهای چندمقیاسه استفاده شود تا به کمک آن، بتوان طول یک نانولوله منفرد را تا ۱۵ مرتبه بزرگی گسترش داد و به طول کابلِ بالابرِ فضایی رساند.
این گروه کابلهایی با اندازهها و اشکال مختلف، همچنین غلظتهای عیوب متفاوت را شبیهسازی کردند و دریافتند که مقاومت این کابلهای نانولولهای بزرگمقیاس برخلاف فرضیات پیشین، حداکثر ده گیگاپاسکال است؛ این در حالی است که مقاومت نظری نانولوله بسیار بزرگتر از این مقدار و حدود صد گیگاپاسکال است.
پاگنو توضیح داد که در شبیهسازیهای چندمقیاسه آنها، شاخصها به بهترین شکل برازش نشدهاند: در گام اول، میزان اولیه شاخص مستقیماً از آزمایشهای نانوکششِ نانولولهها تخمین زده میشود و خروجی گام اول، ورودی گام دوم است و این فرایند تا آنجا ادامه دارد که گامهای بعدی نیز به اجرا درآیند. آنها در عرض پنج گامِِ سلسلهمراتبی، طول شبیهسازیشده را از طول یک نانولوله منفرد(حدود صد نانومتر) به طول مگاکابلِ بالابرِ فضایی(حدود صدهزار کیلومتر) گسترش دادند.
برای ارزیابی عددی مقاومت کابل بالابرِ فضایی، محققان مذکور از کد رایانهای به نام SE3، که در سال ۲۰۰۶ بهوسیله پاگنو نوشته شده بود، استفاده کردند. به کمک چنین مدلی، علاوه بر محاسبه تنشِِ شکستِ کابل میتوان منحنیهای تنشـکرنش، مدولهای یانگ، تعداد و محلِ فیبرهای شکستهشده، انرژی جنبشی تابششده، انرژی شکستِ جذبشده و سایر کمیتهای مشابه را نیز محاسبه نمود.
هماکنون این گروه در پی رسیدن به ستارهها نیستند؛ بلکه میخواهند خصوصیات اسمیای چون مقاومت، چگالی انرژی تلفشده و… را که در توسعه مدلهای واقعی نانولولهها و نانوالیافها اهمیت بسیار زیادی دارند، بررسی و اندازهگیری کنند.
نتایج این تحقیق در نشریه Small به چاپ رسیدهاست.
