Полимерните, чудесни и волшебни материјали, некои од нив стануваат многу важни денес, кога и Илон Маск планира космички летови за создавање колонии на „резервната планета“, вели професорката д-р Гордана Богоева-Гацева од Технолошко-металуршки факултет при УКИМ, Скопје
Студентите на Технолошко-металуршкиот факултет ја имаат таа привилегија да можат да стекнуваат инженерски знаења за материјалите – полимерни, текстилни, керамички, метални, композитни, што во еден глобален свет отвора можности за градење успешна кариера и лесно е да се замисли некој од нив вклучен и во некои идни истражувања на вселената...
Во далечната 1911 година, пред точно 110 години, рускиот научник-иноватор и татко на астронаутиката, кој прв ги формулирал законите на движење на ракета во космичкиот простор, К.Е. Цијалковски, со имагинативна видовитост ќе напише: „Човештвото нема вечно да остане на Земјата...“
Првиот теоретичар и заговорник на космичките летови на човекот, по кого е именуван еден голем кратер на Месечината, уште во 1892 год. размислувал за конструкција на метален дирижабл кој би имал приспособливи/експандирачки димензии (какви што се денешните лансирни системи за ракети - expendable launch vehicle, ELV). Во 1897 год. тој ја создал првата аеродинамичка лабораторија во која експериментирал со различни геометриски модели и форми и ги определил коефициентите на отпор при струење на воздух околу нив....
Пред точно 120 години, имено во текот на 1901 година Цијалковски ја привршил серијата на експерименти за изучување на отпорот на воздухот во аеродинамичка цевка (резултатите се публикувани во „Научное обозрение“, бр.5, 1902), а веќе во 1903 год. ја објавил познатата статија која се смета за пионерска во ракетодинамиката: „Изучување на светските пространства со реактивни прибори“ (сетете се на равенката и „формулата на Цијалковски“!)... Многу пред своето време, тој предложил технички проект за ракета, космички станици, горива за ракетен погон... Зад себе оставил 148 публикации и уште 600 необјавени труда, од кои еден добар дел е посветен на неговите идеали за единството на човекот и космосот и на прашањата за етиката и моралот.
Цијалковски верувал дека постои интелигентен живот и надвор од нашата планета. Верувал дека не сме единствени во космосот. Верувал дека човекот ќе го освои Млечниот Пат и ќе го насели космосот. Шеесетина години пред Фермиевиот парадокс (формулиран како контрадикција помеѓу отсуството на доказ за екстратерестријална цивилизација и големата веројатност за нејзино постоење), Цијалковски ќе напише кратка статија во која постулира сознанија за постоење на екстратерестријална интелигенција. Прашањето дали ќе го населиме космосот и дали ќе се сретнеме со вонземски цивилизации, и по повеќе од еден век по Цијалковски, не е докрај одговорено. Но затоа, тука е акумулираното научно знаење, напредните инженерски технологии и многубројните остварени космички летови и истражени планети и космичко пространство... Јупитер, Венера, Уран, Сатурн, Марс... не се веќе тајна каква што беа, неодамна и звуците од Марс ги слушнавме... и да, тука се и новите материјали, кои во времето на Цијалковски сè уште не беа создадени.
За некои од нив тука ќе стане збор, за оние – полимерните, чудесни и волшебни материјали. Некои од нив стануваат многу важни денес, кога и Илон Маск планира космички летови за создавање колонии на „резервната планета“ (како што еден научник ја нарече Црвената Планета), приближувајќи се до идеалите, идеите и мечтите на еден од првите космолози. Се разбира, овие летови се прилично романтизирани, земајќи ја предвид изложеноста на огромна радијација, која како и сите други невидливи опасности, човекот лесно ги занемарува, но тоа е друга тема... Но, како и да е, инженерските знаења за градбата на леталата и за материјалите применети за костумите/облеката на космонаутите остануваат постојан предизвик за сите космички програми, во кои денес учествуваат не само суперсилите САД и Русија, туку и многу други земји, па и приватни компании.
Од почетокот на човечката авантура во вселената, обележана со лансирањето на советскиот сателит „Спутник 1“ (на 4 октомври 1957 година), преку „Explorer I“ (1958) и слетувањето на „Apollo 11“ на Месечината (20 јули 1969) па до денес, покрај техничките прашања поврзани со космичкото летало, важен аспект претставува и облеката на космонаутите во услови на изложеност на фактори различни од оние на нашата планета. „Ова е мал чекор за мене, но голем исчекор за човештвото“, ќе ги вреже овие зборови Армстронг во колективната меморија на Земјаните, облечен во скафандер изработен од специјални материјали...
Кога Баз Олдрин и Нил Армстронг стапнаа на Месечината, надворешните штитници на нивните вселенски визири беа изработени од еден (тогаш) нов многу цврст прозрачен полимер (Udel полисулфон, PSU) издржлив на екстремно високи температури. Овој полимер развиен во 1965 година се применува до денес. Од друг специјален полимер (УВ-стабилизиран поликарбонат, Lexan) беше направено внатрешното јадро на кацигите. Во внатрешното јадро беше вметната полиуретан-силиконска пена, која дејствува како амортизер, бидејќи има својство да го обновува појдовниот облик дури и по силна компресија од 90%. Вселенските костуми биле дизајнирани така што да обезбедат животна средина за астронаутите во периоди на дополнителна активност или за време на операцијата на леталото без притисок. Тие дозволуваа максимална подвижност и беа дизајнирани да бидат релативно удобни до 115 часа (заедно со облеката со течно ладење). Доколку е потребно, костумите исто така можеле да се носат 14 дена во режим без притисок.
Бидејќи астронаутите на Apollo мораа да се движат по Месечината, како и да летаат во вселената, беше развиен уникатен вселенски костум со додатоци за одење по Месечината. Така, скафандерот се состоеше од долна облека од најлонски влакна (ладена со вода); повеќеслоен костум за притисок со внатрешен, среден и надворешен слој – ткаенини од најлон обложени со неопрен; пет слоја алуминизирана полиетилентерефталатна (PET) фолија проткаена со четири слоја полиестерски влакна и два слоја полиимидна фолија (за заштита од топлина); слој од тефлон-обложена ткаенина (политетрафлуороетилен, PETF), незапаливa, за заштита од гребеници и слој од бела тефлонска ткаенина. Костумот имаше и чизми, ракавици, капаче за комуникација и прозрачна пластична кацига. За одење по Месечината, вселенскиот костум беше дополнет со пар заштитни чизми, ракавици со гумени врвови на прстите, комплет филтри/визири што се носеа преку кацигата за заштита од сончева светлина, преносен ранец со кислород, опрема за отстранување на јаглероден диоксид и вода за ладење.
Д-р Гордана Богоева-Гацева
Да се потсетиме и на други детали, кои можеби не се толку познати и не се спектакуларни на прв поглед, но се поврзани со науката за полимерите, која минатата година имаше исто така свој јубилеј – 100 години од првите сознајни чекори. Делови од Модулот за движење по Месечината, LEM (Lunar Excursion Module) беа завиткани во повеќеслојно ќебе од алуминизирана полиимидна фолија (Kapton). Овој полимер е стабилен во широк опсег на температури, од -269 до +400 C. Во зависност од тоа каде ќе се користи, надворешниот слој може да има жолта, сребрена или килибарна боја и наликува на „златна фолија“. Причината за оваа изолација е што на оддалеченост на Земјата од Сонцето, основно прашање за термичката контрола на леталото е како да се спречи можното прегревање. Без изолација, под дејство на сончевата светлина некој предмет може да се загрее на околу 121oC, а ќе се олади до околу -157 °C под сенка. Така, потребата од добра изолација е неоспорна: од неа се бара да одбива голем дел од сончевата топлина и воедно ја забавува загубата на топлина во вселената. Ова му дозволува на леталото да ја контролира температурата, со приспособување на сублиматорот на вода, за да се елиминира топлината создадена од опремата на бродот.
Кај Модулот, овој изолационен полиимиден материјал намерно е стуткан рачно за да се минимизираат точките на контакт помеѓу слоевите, т.е. за да се постигне поголема ефикасност. Полимерите и пластиката имаат уште една специфична карактеристика: тие се многу лесни! Густината на некои полимери (како полиетиленот, например) е помала дури од 1 g.cm-3, а онаа на Kapton e 1,42 g.cm-3. Само за споредба, густината на алуминиумот е 2,70 g.cm-3, а на титанот (кој се вбројува во лесни метали, како и алуминиумот) изнесува 4,51 g.cm-3. Густината на оловото, пак, е 11,35 g.cm-3. Како и за сите компоненти на LEM, намалувањето на тежината бил важен приоритет: ваквото изолациско ќебе е многу полесно од кој било вид поцврст топлински штит, тогаш или сега познат во технологијата на материјали. Исто така, екстремно важно, оваа изолација служела и за заштита од продирање на зрачење и евентуални удари од метеор, благодарение на еластичноста на полимерот. Имено, полимерите се единствени материјали, кои, поради специфичната градба на нивните молекули, поседуваат едновремено голема јачина и голема еластичност. Таква комбинација на својства немаат ниту металите ниту керамичките материјали.
Уште еден тип материјали базирани на полимери неизбежно е да се споменат при ова потсетување на првите чекори на човекот во освојување на вселената: тоа се полимерните композити – зајакнати материјали со извонредни механички и термички својства, а многукратно полесни од металите. За вселенските апликации, критичен фактор е масата: се смета дека секој додатен килограм чини околу 10.000 $ за лансирање во Земјината орбита. Четирите структурни потпирачи на лунарниот модул беа направени од епоксидна смола, зајакната со борни и јаглеродни влакна. Овој композит беше дизајниран за да се намали тежината на ногарките на лунарната база (Lunar Lander Base), а притоа да се постигне јачина посупериорна од онаа на алуминиумот, титанот или челикот.
Денес, полимерните композитни материјали се произведуваат како комбинација на полимери и зајакнувачки стаклени, јаглеродни, арамидни, па дури и природни влакна, со цел да се добијат јаки материјали кои се применуваат во градежната и индустријата на сите превозни средства, електрониката, па до индустријата на компјутери и мебел. Притоа, зајакнувачаката компонента може да биде во сите можни облици – од влакно (бесконечно долго или кратко) до ткаен текстилен материјал во форма на рамна површина, тродимензионален или цевчест. Така, во ова подрачје на материјалите, полимерното инженерство интерферира со новите текстилни технологии за производство на специјален (технички) текстил.
По завршената мисија, Apollo беше подготвен да се врати дома со контролирано спуштање во Тихиот Океан. Температурата на површината на командниот модул се искачи до 2.760 °C, но топлинските штитови ја заштитија неговата внатрешна структура: имено, топлинскиот штит изработен од фенол/азбестни и фенол/стакло композитни ламинати беше аблативен, што значи дека е дизајниран да се топи и еродира површински при загревање, штитејќи ја внатрешноста на модулот. Набљудувано од Земјата, изгледа како модулот да се запалил за време на неговото спуштање, но всушност аблативната обвивка ги заштитува астронаутите внатре во модулот - материјалот ја пренасочува топлината додека испарува. Фенолните високотемпературни аблативни композити се користат во ракетната и во авионската индустрија. За функционирање на ракетната млазница, во која согорувањето на погонското гориво ја движи ракетата напред, нејзиниот врв е обвиткан со фенолен композитен материјал зајакнат со стаклени влакна за да се обезбеди структурен и термички интегритет (да се потсетиме, температурата на согорливите гасови достигнува 2.000 °C и тие излегуваат со суперсонична брзина). Денес се произведуваат специјални зајакнати епоксидни полимери за екстремни апликации со одлична јачина, ударна отпорност и термичка постојаност, кои се супериорни во однос на металите.
Уште еден занимлив пример за материјали што се применуваат при вселенските летови, а во кои полимерите играат круцијална улога се фазно-променливите материјали - ФПМ: тие складираат енергија кога преминуваат од цврста во течна фаза, а ја расејуваат кога од течна фаза се враќаат во цврста. Оваа технологија е примарно развиена токму за потребите на вселенската индустрија, и нејзините почетоци датираат во раните осумдесетти години на минатиот век. Целта била космонаутите, но и инструментите во леталата, да се заштитат од екстремните флуктуации на температурата во вселената. Технологијата на ФПМ денес веќе наоѓа примена во многу подрачја: електрониката, телекомуникациите, микропроцесорите, соларните системи за згради, биомедицината итн. Кај применета на текстилните материјали, оваа технологија подразбира вградување на микрокапсули од ФПМ во дадена текстилна структура, при што доаѓа до промена на термичките својства (термичкиот капацитет) на материјалот во целина.
Секој материјал апсорбира топлина во процес на загревање додека неговата температура константно се зголемува. Температурата кај ФПМ расте додека не се достигне неговата температура на топење, тогаш настанува фазна промена и температурата не се менува сè додека материјалот целосно не премине од цврст во течност. Материјалот апсорбира енергија која е употребена за разрушување на цврстата структура. Во овој процес на фазна промена се апсорбира големо количество на топлина (латентна топлина). Доколку материјалот понатаму продолжи да се загрева, неговата температура повторно ќе почне да се покачува. Кога материјалот ќе се лади, латентната топлина се ослободува во околината, и температурата ќе остане константна повторно додека не се заврши фазната промена од течност во цврсто, кога ќе се достигне температурата на кристализација на ФПМ. Така, ФПМ апсорбираат и емитираат топлина задржувајќи речиси константна температура.
Познати се повеќе од 500 природни и синтетчки ФПМ, органски, неоргански и биооргански, а по својата природа тие можат да бидат не само од типот цврсто-течно, туку и цврсто-цврсто и гас-течност. Во понова категорија ФПМ спаѓаат и некои јонски течности. Најчесто применувани во текстилот, вградени како микрокапсули од 0,5 до 30 mµ (понекогаш и до 100 mµ и повеќе), се парафинските восоци со различна фазно-температурна промена (на топење и кристализација), која зависи од бројот на јаглеродни атоми: на пример, октадекан има топлински капацитет од 244 J/g, а температурите на топење и кристализација се 28,2 °C и 25,4 °C, соодветно. Микрокапсулите се од типот јадро-обвивка, т.е. ФПМ е заштитен со обвивка/мембрана од друг материјал - најчесто, полимерен од типот на вмрежен полиамид, поилуретан, меламин-формалдехид и др., кој е абразионо- и термички отпорен, отпорен на притисок и на хемикалии (за да го спречи, на пример, излевањето на парафинот кога тој е во течна фаза). За создавање вакви микрокапсули, развиени се повеќе технологии на микроинкапсулирање, меѓу кои е и меѓуфазната полимеризација.
Така, текстилното инженерство денес, дури и за потребите на вселенската индустрија, е тесно поврзано со полимерното инженерство. Начинот на кој микрокапсулите со ФПМ ќе бидат интегрирани со текстилниот материјал е исто така различен, но два крајни случаи се: добивањето синтетички хемиски влакна во кои веќе се вградени микрокапсули (на пример, при формирањето на полиакрилонитрилни влакна со технологијата на добивање од раствор на полимерот) и нанесување на ФПМ врз веќе готова текстилна ткаенина (сл.1а. и 1.б.)
Полиакрилонитрилни влакна со инкапсулирани микросфери од ФПМ (а) и готова ткаенина апретирана (обработена) со ФПМ (б).
Космичката радијација, опасна и штетна, може да биде полезна за некои специјани полимери, како што покажуваат најновите истражувања на физичарот А. Кондјурин (од Универзитетот во Сиднеј): развиен е материјал кој е сличен на лепило (желатинозен), а кој се стврднува (хемиски се вмрежува) под дејство на радијацијата во космосот. Ова отвора перспективи идните астронаути да можат да ги „спакуваат“ своите живеалишта на Месечината или на Марс во ранец, а конечната посакувана форма да се обликува на предвиденото место на планетата под дејство на радијацијата.
Во рецензијата на трудот на Цијалковски („Притисок на воздухот врз површини во вештачки создадена воздушна струја“) објавен во списанието „Весник за експерименална физика и елементарна математика“ (1898, бр. 269-270; 1899, бр. 271-272) ќе биде запишано: „...оваа статија, меѓу другото, покажува како може да се изведува научна работа и без прецизни прибори... и дека одредена резерва на енергија и љубов кон работата може, во извесна мера, да замени добро опремена физичка лабораторија“. Во трудот првпат била опишана познатата аеродинамична цевка на Цијалковски и презентирани резултатите од неговите истражувања за отпорот на воздухот. Младите научници од земја како нашата, во која издвојувањата за науката се комично (поточно, трагично) мали, па соодветно на тоа е комична (или поточно, трагична) инфраструктурата во областа на инженерството на материјали, вреди сепак да ги запомнат овие зборови: без љубов кон науката и без интелектуален експеримент, не вреди ниту најсовремена лабораториска опрема! Но, ова е веќе друга тема, и тука не и е местото.
Човечката мисла од дамнина „водела романтична љубов“ со вселената, допирајќи ги звездите бидејќи мислата е безгранична... Човекот отсекогаш сакал да разбере.... но и да покори. Сè додека научниците – хемичари, физичари, инженери од сите профили, технолози... создаваат за доброто на човештвото, можеме да веруваме и во добрите намери и желби за освојување на вселената. Но, да не ги заборавиме зборовите на Ж. П. Сартр, парафразирајќи го: - Нуклеарниот физичар останува само „техничар со практично знаење“ сè додека учествува во создавањето на атомската бомба, а Човек (интелектуалец) станува во оној момент кога ќе се побуни против неа. Во нашиов контекст, можеме зборот интелектуалец да го замениме просто со Човек. Верувам, ќе останеме луѓе при покорувањето на вселената!
Фото: приватна архива