Materiali innovativi ispirati agli origami per la conquista dello spazio e la sicurezza stradale

Materiali speciali in grado di ammortizzare gli urti per navicelle spaziali e autoveicoli. Scopriamone le caratteristiche, i vantaggi e l’importanza dell’analisi termica per la loro messa a punto.

I veicoli spaziali di ultima concezione come il Falcon 9 di SpaceX e i razzi di Blue Origin di Jeff Bezos (Amazon) sono progettati, per ragioni di economicità, per poter essere riutilizzati in lanci successivi.

Ma questo significa che, come le ginnaste di corpo libero che sperano in un perfetto 10, questi veicoli devono curare molto i loro atterraggi.

L’atterraggio è infatti molto stressante per i carrelli di un razzo perché devono gestire la forza dell’impatto con la piattaforma di atterraggio.

Un contributo alla soluzione di questo problema viene dalla Ricerca e Sviluppo di nuovi materiali con la messa a punto di tecnologie innovative che assorbono parte della forza d’urto e attutiscono il colpo.

Materiali innovativi che si ispirano all’arte antica degli origami

I ricercatori dell’Università di Washington hanno sviluppato una nuova soluzione per aiutare a ridurre le forze d’impatto per potenziali applicazioni in veicoli spaziali, auto e oltre.

Ispirandosi all’arte della piegatura della carta degli origami, il team ha creato un modello in carta di un metamateriale basato sul grafene che utilizza “pieghe su pieghe su pieghe” per ammorbidire le forze d’impatto e promuovere invece forze che rilassano le sollecitazioni nella catena.

Il team ha pubblicato i risultati dello studio sul loro innovative material il 24 maggio 2019 sulla rivista Science Advances.

“Se tu portassi un casco da calcio fatto di questo materiale e qualcosa urtasse il casco” – spiega Jinkyu Yang, professore associato di aeronautica e astronautica all’Università di Washington e leader del progetto – “non avresti mai la sensazione che ti colpisca la testa. Nel momento in cui l’energia ti raggiunge, non sta più spingendo.”

Yang e il suo team hanno progettato questo nuovo metamateriale per avere le proprietà che volevano.

I materiali innovativi come i Lego

“È possibile realizzare tutti i tipi di strutture ripetendo un singolo tipo di blocco di costruzione, o unità di cellule, come la chiamiamo noi” – ha detto ancora Jinkyu Yang sul materiale del futuro messo a punto dal suo team – “A seconda di come si progetta la cella dell’unità, è possibile creare un materiale con proprietà meccaniche uniche che non hanno precedenti in natura”.

I ricercatori si sono rivolti all’arte dell’origami per creare questa particolare unità cellulare, che noi di Thermocert speriamo sia presentata prima o poi a un Material ConneXion, perché significherebbe che è già pronta per il mercato di consumo.

“L’origami è ottimo per realizzare la cellula dell’unità” – ha detto il coautore Yasuhiro Miyazawa, uno studente di dottorato in aeronautica e astronautica dell’UW – “Possiamo progettare materiali che mostrano diversi gradi di rigidità quando si piegano e si dispiegano.

“Qui abbiamo creato una cellula unitaria che ammorbidisce la forza che sente quando qualcuno la spinge, e accentua la tensione che segue quando la cellula ritorna alla sua forma normale.”

Un materiale innovativo realizzato in carta

Proprio come gli origami, questi prototipi di cellule unitarie sono realizzati in carta. I ricercatori hanno usato un cutter laser per tagliare linee tratteggiate sulla carta per indicare dove piegare. Il team ha piegato la carta lungo le linee per formare una struttura cilindrica, e poi ha incollato tappi acrilici su entrambe le estremità per collegare le celle in una lunga catena.

I ricercatori hanno allineato 20 celle e collegato un’estremità a un dispositivo che ha spinto e innescato una reazione lungo tutta la catena.

Utilizzando sei videocamere GoPro, il team ha monitorato poi l’onda di compressione iniziale e l’onda di tensione successiva mentre le celle dell’unità tornavano alla normalità.

La catena composta dalle cellule origami ha mostrato il movimento controintuitivo dell’onda: anche se la forza di compressione che spingeva dal dispositivo ha innescato l’intera reazione, quella forza non è mai arrivata all’altra estremità della catena; essa è stata sostituita invece dalla forza di tensione che è iniziata quando le cellule della prima unità sono tornate alla normalità e si sono propagate poi sempre più velocemente lungo la catena. Così le celle dell’unità all’estremità della catena sentivano solo la forza di tensione che le spingeva indietro.

Il mercato dei materiali avanzati raggiungerà i 115,2 mld di dollari entro il 2025, pari a una crescita del 10,6%. Scopri di più sull’argomento con il nostro E-Book “Smart Sostenibili Sicuri”, clicca qui.

Uno smart material per ridurre urti e impatti

“L’impatto è un problema che incontriamo quotidianamente, e il nostro sistema fornisce un approccio completamente nuovo per ridurre i suoi effetti. Ad esempio, vorremmo usarlo per aiutare sia le persone che le auto a gestire meglio gli incidenti automobilistici“, ha detto infine il Prof. Yang.

“In questo momento è fatto di carta, ma abbiamo intenzione di farne un materiale composito. Idealmente, potremmo ottimizzare il materiale per ogni specifica applicazione.”

Un materiale innovativo che è anche occasione di investimento

Come scrive Wall Street Italia, il grafene – e i materiali innovativi che si realizzano mediante di esso, non ultimo quello pensato dal team di Jinkyu Yang – è popolarissimo tra gli investitori.

Questo perché “è un milione di volte più sottile della carta, ma 100-300 volte più resistente dell’acciaio. Non solo, è un ottimo conduttore elettrico e ha grande flessibilità, paragonabile a quella della plastica.”

Le sue applicazioni sono dunque numerosissime: sicurezza stradale, strumenti per l’autonomia, edilizia, architettura, design, ecc.

Dalla resistenza a compressione alle prestazioni termiche di questi nuovi materiali

Ogni volta che si mette a punto un materiale tecnologico innovativo di alte prestazioni è importante analizzare e studiare il suo comportamento a 360°.

Quali sono le proprietà di scambio termico di questo nuovo tipo di materiale?
In che modo si correlano con le altre proprietà fisiche, meccaniche e di durabilità nell’ambiente finale di utilizzo?

L’innovazione nel campo dei materiali passa sempre di più attraverso l’analisi, lo studio e l’ottimizzazione delle caratteristiche termo-fisiche dei materiali stessi. È per questo che il team di specialisti dei materiali e tecnici di laboratorio di Thermocert hanno messo a punto un set di analisi e prove in campo termico.

Per scoprire le proprietà termiche di legni, grafene, polimeri e altri materiali, visita il sito Thermocert, e scopri come possiamo affiancarti nello sviluppo e testi di materiali ad alte prestazioni che ti permetteranno vantaggi concorrenziali o un maggiore efficientamento energetico.

Se preferisci, puoi contattare direttamente un nostro specialista dei materiali che saprà orientarti al meglio.

Fonte: https://www.sciencedaily.com/releases/2019/05/190524140857.htm

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