إن سعي البشرية للسرعة لم يتوقف أبدًا. من العربات القديمة التي تجرها الخيول إلى الطائرات الحديثة، نقوم باستمرار بدفع الحدود المادية لتقليل المسافات وتعزيز الكفاءة. تظل الرحلة التي تفوق سرعتها سرعة الصوت، والتي تمثل قمة السرعة، هدفًا مرغوبًا فيه في هندسة الطيران.
تخيل السفر من لندن إلى سيدني ليس في أكثر من 20 ساعة، ولكن في 50 دقيقة فقط. هذا ليس خيالًا علميًا، ولكنه مستقبل ملموس أصبح ممكنًا بفضل التقدم في التكنولوجيا التي تفوق سرعتها سرعة الصوت. ومع ذلك، فإن تحقيق هذه الرؤية يطرح تحديات كبيرة. تتطلب الحرارة الشديدة الناتجة عن احتكاك الهواء أثناء الطيران الذي تفوق سرعته سرعة الصوت مواد ذات مقاومة حرارية غير مسبوقة، مما يخلق اختناقًا خطيرًا في عملية التطوير.
ويكمن الحل في المواد الثورية: كربيد التنتالوم (TaC) وكربيد الهافنيوم (HfC). تعمل هذه السيراميكات المقاومة للحرارة على إعادة تعريف حدود علوم المواد من خلال أدائها الاستثنائي في درجات الحرارة العالية، مما يوفر الأساس للجيل القادم من المركبات التي تفوق سرعتها سرعة الصوت.
السيراميك الحراري هو فئة من المواد المصممة لتحمل درجات الحرارة القصوى. تتميز بنقاط انصهار عالية بشكل استثنائي، وثبات كيميائي، ومقاومة للصدمات الحرارية، وتلعب هذه المواد أدوارًا حيوية في الصناعات ذات درجات الحرارة العالية، والفضاء، والتطبيقات النووية.
يمثل هذا السيراميك عالي الحرارة (UHTCs) أحدث المواد المقاومة للحرارة، ويتميز بنقاط انصهار قياسية وخصائص ميكانيكية استثنائية.
| ملكية | تاك | مركبات الكربون الهيدروفلورية |
|---|---|---|
| نقطة الانصهار | 3768 درجة مئوية | 3958 درجة مئوية |
| كثافة | 14.5 جم/سم3 | 12.7 جرام/سم3 |
| الموصلية الحرارية | 23 وات/م·ك | 21 واط/م·ك |
| مقاومة الأكسدة | جيد | ممتاز |
لعقود من الزمن، ثبت أن قياس نقاط انصهار هذه المواد بدقة أمر مستحيل بسبب القيود التكنولوجية. لم تتمكن الطرق التقليدية من تحقيق درجات الحرارة المطلوبة دون إدخال أدوات القياس.
كان باحثو إمبريال كوليدج لندن رائدين في تقنية التسخين المعتمدة على الليزر والتي مكنت أخيرًا من إجراء قياسات دقيقة. كشفت دراستهم لعام 2020 المنشورة في مجلة Scientific Reports:
أكد هذا الاختراق أن مادة HfC هي المادة ذات أعلى درجة انصهار مسجلة على الإطلاق، مما يفتح إمكانيات جديدة لتطبيقات البيئة القاسية.
تمثل الرحلة التي تفوق سرعتها سرعة الصوت (تتجاوز 5 ماخ) ثلاثة تحديات أساسية:
يعالج TaC وHfC تحدي الإدارة الحرارية الأكثر أهمية. باعتبارها مرشحة رائدة لأنظمة الحماية الحرارية (TPS)، تتيح هذه المواد ما يلي:
تمتد التطبيقات المحتملة إلى ما هو أبعد من المركبات التي تفوق سرعتها سرعة الصوت:
ومع تقدم تقنيات تصنيع المواد، تعد هذه السيراميكات شديدة المقاومة للحرارة بتمكين التقنيات التي كانت تعتبر مستحيلة في السابق. تركز الأبحاث المستمرة على:
يمثل الدمج بين علوم المواد وهندسة الطيران من خلال TaC وHfC نقلة نوعية في قدرتنا على العمل في البيئات القاسية، مما يجعل حلم السفر الروتيني الذي تفوق سرعته سرعة الصوت أقرب إلى الواقع.
