Vật liệu được dùng để làm tàu vũ trụ không chỉ cần có các đặc tính phù hợp để bay, chúng còn phải chịu được mức nhiệt cao, ma sát và căng thẳng. Để vượt qua những thách thức này, cần có các vật liệu siêu nhẹ và siêu bền. Gần đây, các nhà khoa học tại Trung tâm Nghiên cứu Glenn của NASA đã phát triển một hợp kim kim loại mang tính cách mạng với tiềm năng chế tạo ra các bộ phận của tàu vũ trụ và động cơ phản lực hiệu quả và đáng tin cậy hơn trong các điều kiện khắc nghiệt.
Cơ quan vũ trụ luôn tìm kiếm những vật liệu có thể chịu được những điều kiện khắc nghiệt khi phóng tên lửa cũng như chịu được cái lạnh khắc nghiệt của không gian. Vật liệu mới, GRX-810, là hợp kim tăng cường phân tán oxit (ODS), có thể chịu được các điều kiện cực kỳ khắc nghiệt trước khi đạt đến điểm đứt gãy.
Hợp kim mới có tên GRX-810 được tạo ra bằng cách in 3D trong khuôn khổ dự án Công cụ và Công nghệ Biến đổi (TTT) do Ban Giám đốc Nhiệm vụ Nghiên cứu Hàng không của NASA (ARMD) điều hành. TTT đã tham gia vào việc phát triển nhiều công nghệ tính toán và thử nghiệm công nghệ cao khác cho NASA.
Theo cơ quan vũ trụ, so với các vật liệu hiện đại, hợp kim GRX-810 mới có thể cung cấp sức mạnh gấp hai lần và độ bền gấp 1000 lần cho tàu vũ trụ ở nhiệt độ cao - không chỉ mang lại sự mạnh mẽ hơn mà còn đảm bảo tiêu thụ ít nhiên liệu hơn và chi phí bảo trì thấp hơn. Hơn nữa, khi các nhà nghiên cứu tại Glenn kiểm tra GRX-810 về độ bền đối với các hợp kim hiện có, họ phát hiện ra rằng nó có thể uốn cong hoặc kéo dài hơn ba lần rưỡi trước khi bị gãy dưới lực căng.
Trong quá trình nghiên cứu chế tạo, NASA sử dụng phương pháp mô hình hóa vật liệu để xác định sự kết hợp các loại kim loại nào có thể mang lại kết quả tốt nhất. Trước đây, các chuyên gia thường sử dụng quy trình “thử và sai” để tìm ra vật liệu mới phù hợp. Quá trình này thường mất nhiều năm.
GRX-810 được tạo ra từ hợp kim tăng cường phân tán oxit (ODS), thường được sử dụng trong các môi trường nhiệt độ cao như tuabin và ống trao đổi nhiệt. Do sự hiện diện của ODS, GRX-810 có thể chịu được nhiệt độ trên 1.090 độ C (2.000 độ F). Các hạt oxit kích thước nano của ODS được phân bố đồng đều khắp hợp kim bằng phương pháp in 3D.
Việc phát triển các vật liệu như GRX-810 có thể mất nhiều năm với các phương pháp thông thường vì nó liên quan đến phương pháp "thử và sai". Vì vậy, ngoài in 3D, các nhà nghiên cứu tại Glenn còn sử dụng mô hình nhiệt động lực học, một công cụ tính toán cho phép các nhà khoa học dự đoán thành phần tối ưu cho hợp kim nhanh chóng (trong vòng vài tuần hoặc vài tháng) và với chi phí thấp hơn nhiều. Công cụ này trước đây đã được đề cập trong nghiên cứu Tầm nhìn 2040 của NASA .
"Việc áp dụng hai quy trình này - in 3D và mô hình nhiệt động lực học - đã thúc đẩy đáng kể tốc độ phát triển vật liệu của chúng tôi. Giờ đây, chúng tôi có thể sản xuất vật liệu mới nhanh hơn và với hiệu suất tốt hơn trước đây", Tim Smith, Nhà khoa học nghiên cứu vật liệu tại NASA cho biết.
NASA cho biết thêm: "Hợp kim ODS mới có ý nghĩa lớn đối với tương lai của các chuyến bay bền vững. Chẳng hạn, khi được sử dụng trong động cơ phản lực, sức chịu nhiệt cao hơn và độ bền của hợp kim tăng có thể giúp làm giảm lượng nhiên liệu tiêu thụ, chi phí vận hành và bảo dưỡng. Các nhà nghiên cứu do đó có thể cân nhắc tối ưu nhiều chi tiết khác thay vì mối lo bị giảm hiệu suất của động cơ".
Ngoài khả năng chịu được nhiệt độ khắc nghiệt, GRX-810 còn có đệ bền cực cao, đồng thời nó cũng dễ uốn và dẻo hơn các vật liệu hiện đang được NASA sử dụng. Thêm vào đó, mặc dù có sức mạnh gấp đôi và hiệu suất lâu dài ấn tượng, thì vật liệu hợp kim này còn tương đối hiệu quả về chi phí, nhẹ và có thể tăng hiệu suất động cơ tổng thể.
Báo cáo được công bố trên trang web của NASA cũng cho thấy rằng nếu một động cơ phản lực được chế tạo bằng GRX-810, thì sẽ tiêu hao ít nhiên liệu hơn và chi phí bảo trì thấp hơn do các đặc tính nêu trên của vật liệu.
"Bước đột phá này mang tính cách mạng đối với việc phát triển vật liệu. Các loại vật liệu mới mạnh hơn và nhẹ hơn đóng vai trò quan trọng khi NASA đặt mục tiêu thay đổi tương lai của các chuyến bay. Trước đây, sự gia tăng độ bền thường làm giảm khả năng kéo dài và uốn cong của vật liệu trước khi đứt gãy, đó là lý do tại sao hợp kim mới của chúng tôi rất đáng chú ý", Dale Hopkins, Phó Giám đốc dự án TTT cho biết.
Việc tạo ra GRX-810 là một bước quan trọng để đạt được chuyến bay bền vững vì nó mang lại cơ hội chế tạo ra những tàu vũ trụ tốt hơn và an toàn hơn với chi phí thấp hơn. Hợp kim này cũng nhấn mạnh vai trò mà các kỹ thuật mới như mô hình nhiệt động lực học và in 3D có thể đóng trong sự phát triển của các công nghệ liên quan đến chuyến bay tiên tiến.
Vì vậy, đừng ngạc nhiên nếu bạn thấy GRX-810 sẽ biến đổi ngành hàng không và du hành vũ trụ trong tương lai gần.
Theo Zmescience
