136 tonų vagonas trenkėsi, bet nepramušė. Tyrėjai griebiasi už galvų. Kosminė technologija

Vagonas, sveriantis 136 tonų, riedantis bėgiais daugiau nei 8 kilometrų per valandą greičiu, buvo aprūpintas priekyje sumontuotu plieniniu smogtuvu. Smūgio jėga siekė 368 kilodžaulius – pakankamai, kad pramuštų standartinę geležinkelio cisternos sieną tarsi popierių. Tačiau šį kartą viskas įvyko visiškai kitaip nei įprastai. Užuot suplėšęs metalą į gabalus, plieninis smaigas tiesiog atšoko nuo paviršiaus, lyg būtų atsitrenkęs į nematomą barjerą.

Šis neįprastas reiškinys buvo užfiksuotas per bandymus, kuriuos atliko Šiaurės Karolinos valstybinio universiteto mokslininkai.

Lengvesnė už plieną, bet kietesnė už betoną. Neįprastos naujosios medžiagos savybės

Tyrėjų sukurta kompozitinė metalinė puta – tai medžiaga, kuri išoriškai primena paprastą metalą, tačiau pasižymi visiškai kitokiomis savybėmis. Jos struktūra primena kempinę – metalinę matricą užpildo tūkstančiai tuščiavidurių rutuliukų, dažniausiai pagamintų iš nerūdijančio plieno arba nikelio. Būtent šios ertmės lemia, kad medžiaga yra ypač lengva, kartu išlaikydama tvirtumą, viršijantį vientiso plieno stiprumą.

Šiaurės Karolinos valstybinio universiteto komanda daugelį metų tobulino šią technologiją. Jų darbo kulminacija tapo esminis bandymas, kuriuo buvo siekiama nustatyti, ar metalinė puta atitinka griežtus JAV transporto departamento reikalavimus medžiagoms, naudojamoms geležinkelio cisternų gamyboje. Šie standartai neatsitiktiniai – juk cisternomis gabenami rūgštys, chemikalai, nafta ir suskystintos dujos, kurių nutekėjimas galėtų sukelti ekologinę katastrofą.

„Geležinkelio cisternos naudojamos įvairioms pavojingoms medžiagoms gabenti. Jų saugumas yra itin svarbus, todėl JAV transporto departamentas taiko labai griežtus bandymų reikalavimus kiekvienai medžiagai, galinčiai būti panaudotai jų gamyboje“, – pažymi viena iš tyrėjų, Afsaneh Rabiei.

Medžiaga turi dar vieną itin svarbią savybę – ji puikiai atspari aukštai temperatūrai. Tradicinis plienas, patekęs į ugnį, greitai praranda stiprumą, o kompozitinė metalinė puta veikia kaip izoliatorius, apsaugodama cisternos turinį nuo perkaitimo.

Bandymas, galintis pakeisti saugumo sampratą

Eksperimento parametrai atrodė žiaurūs. 136 tonų svorio smogiamasis vagonas – tiek sveria trys sunkūs lokomotyvai – buvo aprūpintas 15 centimetrų skersmens plieniniu smogtuvu. Vagonas buvo pagreitintas iki daugiau nei 8 km/val. greičio. Esant tokiam svoriui, smūgio energija siekė 368 kilodžaulius.

Pirmasis bandymas buvo atliktas palyginimui. Smogtuvas trenkėsi į standartinę plieninę plokštę, naudojamą cisternų gamyboje. Rezultatas buvo prognozuojamas – metalas buvo suplėšytas, o plieninis smaigas pramušė plokštę kiaurai, palikdamas nelygias, aštrias kraštines.

Tada mokslininkai perėjo prie pagrindinio eksperimento. Prieš plieninę plokštę jie pritvirtino vos 30 milimetrų storio kompozitinės metalinės putos sluoksnį. Vagonas vėl pajudėjo, įsibėgėjo ir atsitrenkė – tačiau šį kartą rezultatas buvo stulbinantis. Smogtuvas atšoko nuo paviršiaus, palikdamas tik nedidelį įlinkimą. Plieninė plokštė, sustiprinta putos sluoksniu, liko visiškai nepažeista.

Surinkti duomenys patvirtino stebėjimus: specifinė energija, sugerta kompozitinės metalinės putos plokštės, siekė 28,14 džaulio gramui, kai tuo tarpu anglies plieno plokštė sugėrė vos 0,60 džaulio gramui. Tai reiškia, kad metalinė puta, būdama kelis kartus lengvesnė už plieną, sugeria dešimtis kartų daugiau smūgio energijos.

Nuo geležinkelio transporto iki specialiųjų taikymų

Nors geležinkelio transportas atrodo natūrali sritis šiai medžiagai pritaikyti, mokslininkai mato daug platesnes galimybes. Aviacijoje ji galėtų būti naudojama lėktuvų sparnų konstrukcijose – lengvesni orlaiviai reikštų mažesnes degalų sąnaudas ir mažesnę taršą. Gynybos pramonėje metalinė puta tiktų šarvų ar neperšaunamų liemenių gamybai, siūlydama didesnę apsaugą ir mažesnį svorį.

Svarbi ir pavojingų medžiagų saugojimo sritis. Branduolinės medžiagos, sprogmenys ar temperatūrai jautrūs chemikalai reikalauja ypatingai atsparių talpų. Kompozitinė metalinė puta sujungia mechaninį atsparumą ir puikią šilumos izoliaciją, todėl gali būti idealus sprendimas tokio tipo naudojimui.

Tyrėjai taip pat sukūrė skaičiavimo modelį, leidžiantį tiksliai nustatyti, kokio storio putos sluoksnis reikalingas pageidaujamam apsaugos lygiui pasiekti. Tai reiškia, kad daugeliu atvejų galima bus naudoti dar plonesnius sluoksnius nei tie, kurie buvo bandomi eksperimentuose, taip dar labiau sumažinant svorį ir gamybos sąnaudas.

Kompozitinė metalinė puta išlaikė sunkiausią bandymą su rezultatu, kuris dar prieš kelerius metus atrodė neįmanomas. Jei pavyks įveikti gamybos ir kainos iššūkius, ši medžiaga gali iš esmės pagerinti pavojingų krovinių transportavimo saugumą.