Stellen Sie sich vor, Sie fahren an einem regnerischen Tag zur Arbeit, als ein abgelenkter und rücksichtsloser Fahrer aus dem Nichts Ihr Auto anfährt. Bei einem „Boom“ wird ein Airbag schneller ausgelöst, als Sie blinzeln können, um Ihr Leben zu retten.
Dieser Airbag entfaltet sich schnell mithilfe eines energiereichen Materials namens Natriumazid, das in einer chemischen Reaktion Stickstoffgas erzeugt, um Ihren Airbag aufzublasen. Aber was ist ein energetisches Material?
Zu den energetischen Materialien gehören Treibstoffe, Pyrotechnik, Treibstoffe und Sprengstoffe, und sie werden in den unterschiedlichsten Zusammenhängen eingesetzt.
Zu den Einsatzmöglichkeiten energetischer Materialien gehören Leuchtraketen, Streichhölzer, Pulverraketentreibstoffe, Waffentreibstoffe, heißes Thermitschweißen zum Verschmelzen von Materialien, Feuerwerk und explosive Spezialeffekte Ihres Lieblings-Actionfilms.
Energetische Materialien gibt es in vielen Formen und Größen, aber oft liegen sie in fester Form vor und setzen durch Verbrennen oder Explodieren viel Energie frei, abhängig von ihrer Form und den Bedingungen, unter denen sie funktionieren.
Ich bin Professor für Maschinenbau und beschäftige mich mit energetischen Materialien. Die Herstellung energetischer Materialien ist nicht einfach, aber Fortschritte im 3D-Druck könnten die Anpassung einfacher machen und gleichzeitig mehr potenzielle wissenschaftliche Anwendungen ermöglichen.
Die Rolle der Geometrie
Die Art und Weise, wie Energiematerialien hergestellt werden, beeinflusst ihre Form und die Art und Weise, wie sie im Laufe der Zeit Energie freisetzen. Trockene Raketentreibstoffe ähneln beispielsweise einem Kuchen, bei dem eine Küchenmaschine den „Teig“, der hauptsächlich aus Ammoniumperchlorat, Aluminium und einem gummiartigen Bindemittel besteht, mischt, bevor er in einen Topf gegossen wird. Der „Kuchen“ verfestigt sich beim Backen in der Form.
Typischerweise haben Raketenbooster eine zylindrische Form, jedoch mit einem Stab in der Mitte. Der Stab hat häufig eine bestimmte Querschnittsform, beispielsweise einen Kreis oder einen Stern. Wenn das Treibmittel erstarrt, wird der Stab entfernt, wobei die Kernform zurückbleibt.
Die Form des Kerns beeinflusst die Verbrennung des Treibstoffs, was sich auf den Schub des Motors auswirken kann, in dem er verwendet wird. Indem Sie einfach die zentrale Form des Triebwerks ändern, können Sie es beschleunigen, verlangsamen oder eine Geschwindigkeit über einen längeren Zeitraum beibehalten.
Dieser traditionelle Prozess des „Kuchenbackens“ schränkt jedoch die Formen ein, die Sie herstellen können. Sie sollten den Stab entfernen können, sobald das Treibmittel erstarrt ist. Wenn die Stabform also zu komplex ist, besteht die Gefahr, dass das Treibmittel zerbricht, was dazu führen kann, dass es ungleichmäßig brennt.
Das Entwerfen von Treibstoffformen, die es Raketen ermöglichen, schneller zu fliegen oder weiter zu fliegen, ist ein aktives Forschungsgebiet, aber Ingenieure benötigen neue Herstellungsmethoden, um diese immer komplexeren Designs zu erstellen.
3D-Druck zur Rettung
Der 3D-Druck hat die Fertigung in vielerlei Hinsicht revolutioniert, und Forscher wie ich versuchen zu verstehen, wie er die Leistung von Energiematerialien verbessern kann. Beim 3D-Druck werden mithilfe eines Druckers Materialien Schicht für Schicht gestapelt, um ein Objekt zu erstellen.
Mit dem 3D-Druck können Sie benutzerdefinierte Formen erstellen, mehrere Arten von Materialien in einem Teil drucken und Geld und Material sparen.
Allerdings ist es aus mehreren Gründen sehr schwierig, energetische Materialien in 3D zu drucken. Einige Energiematerialien sind sehr viskos, was bedeutet, dass es sehr schwierig ist, diese Mischung mit einer kleinen Düse aus einer Tube zu bekommen. Stellen Sie sich vor, Sie drücken Ton aus einer kleinen Spritze: Das Material ist zu dick, um problemlos durch das kleine Loch zu gelangen.
Darüber hinaus können energiereiche Materialien bei unsachgemäßer Handhabung gefährlich sein. Sie können sich entzünden, wenn während des Herstellungsprozesses oder während der Lagerung zu viel Hitze entsteht oder wenn sie einem statischen Stromschlag ausgesetzt werden.
Aktuelle Fortschritte
Dennoch haben Forscher im letzten Jahrzehnt viele Fortschritte gemacht, um einige dieser Herausforderungen zu meistern. Wissenschaftler haben beispielsweise reaktive Tinten in 3D auf elektronische Geräte gedruckt, damit diese sich selbst zerstören können, wenn sie in die falschen Hände geraten.
Theoretisch könnten Sie diese Tinten auch strategisch in 3D auf alte Satelliten oder die alternde Internationale Raumstation drucken, um diese umlaufenden Geräte in ausreichend kleine Trümmer zu zerlegen, die in der Atmosphäre verbrennen, bevor sie auf den Boden treffen.
Viele Forscher untersuchen 3D-gedruckte Waffentreibstoffe. Eine Änderung der Form von Waffentreibstoffen könnte es den Kugeln ermöglichen, weiter zu fliegen.
Andere haben versucht, den 3D-Druck zu nutzen, um die Umweltauswirkungen von Treibmitteln und Zündern für Schusswaffen zu verringern, für deren Herstellung aggressive Lösungsmittel erforderlich sind. Diese Lösungsmittel sind gefährlich, schwer zu entsorgen und können der Umwelt und der menschlichen Gesundheit schaden.
Ich habe gezeigt, dass es möglich ist, Festkörperraketentreibstoffe mit ähnlichen Eigenschaften wie traditionell hergestellte Treibstoffe in 3D zu drucken. Mit dieser Forschung haben wir nun die Möglichkeit zu erforschen, wie Treibstoffe aus mehreren Materialien brennen, was Neuland ist.
Anstatt beispielsweise einen Stab zu verwenden, um eine Querschnittsform in einem Triebwerk zu erzeugen, könnten Sie ein hochreaktives Material in 3D drucken und in der Mitte hinzufügen. Anstatt dieses Kernmaterial entfernen zu müssen, könnten Sie es so schnell verbrennen, dass eine Art Kern zurückbleibt. Das reaktive Material würde dem Treibstoff auch Energie hinzufügen. Dadurch würde die Notwendigkeit entfallen, einen Stab zur Herstellung eines zentralen Kerns zu verwenden und zu entfernen.
Obwohl ein Großteil dieser Forschung noch in den Kinderschuhen steckt, verfügen Unternehmen wie X-Bow über 3D-gedruckte Triebwerke und haben erfolgreich Flugtests mit diesen Triebwerken durchgeführt.
Schließlich haben mehrere Forscher untersucht, wie 3D-gedruckte Sprengstoffe explodieren. Wenn Sprengstoffe in einem gitterartigen Netzwerk gedruckt werden, reagieren sie unterschiedlich, wenn ihre Poren mit Luft oder Wasser gefüllt sind. Dieser Prozess erzeugt einen sichereren „schaltbaren“ Sprengstoff, der nur reagiert, wenn er sich in einer bestimmten Umgebung befindet.
Der 3D-Druck energetischer Materialien ist noch ein neues Feld. Wissenschaftler haben noch einen langen Weg vor sich, bis sie vollständig verstehen, wie sich der 3D-Druck auf ihre Sicherheit und Leistung auswirkt. Aber jeden Tag entdecken Wissenschaftler wie ich neue Möglichkeiten, 3D-gedruckte Energie für entscheidende und manchmal lebensrettende Zwecke zu nutzen.
Dieser Artikel wurde von The Conversation erneut veröffentlicht, einer unabhängigen, gemeinnützigen Nachrichtenorganisation, die Ihnen vertrauenswürdige Fakten und Analysen liefert, die Ihnen helfen, unsere komplexe Welt zu verstehen. Es wurde geschrieben von: Monique McClain, Purdue Universität
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Monique McClain erhält Fördermittel vom Air Force Office of Scientific Research (AFOSR), dem Army Research Office (ARO) und der National Aeronautics and Space Administration (NASA).