Na každý náraz reaguje inak: Prelomový materiál môže kompletne zmeniť automobilovú dopravu
Výskumníci vytvorili prelomový metamateriál, ktorý reaguje na každý náraz iným spôsobom.
Vedci zo Škótska a Talianska predstavili nový druh 3D-tlačeného oceľového materiálu, ktorý sa pri náraze doslova zatočí sám do seba a tým efektívne pohltí energiu. Tento takzvaný „adaptive twisting metamateriál“ môže v budúcnosti priniesť revolúciu v automobilovej aj leteckej bezpečnosti. Za výskumom stojí profesor Shanmugam Kumar, vedúci tímu z James Watt School of Engineering na Univerzite v Glasgowe, ktorý projekt koordinoval s partnermi z Polytechnickej univerzity v Marche, Univerzity v L’Aquile a Talianskeho národného inštitútu pre jadrovú fyziku. Výsledky výskumu boli publikované v prestížnom vedeckom časopise Advanced Materials.
Materiál vznikol pomocou 3D tlače z ocele, čo výskumníkom umožnilo vytvoriť presnú gyroidovú sieť, jemnú trojrozmernú štruktúru s nespočetným množstvom prepojených dutín. Keď na ňu pôsobí náraz, štruktúra sa nepokúša vzdorovať priamym odporom, ale začne sa krútiť a tým pohlcuje energiu postupne. Na rozdiel od dnešných deformačných zón, ktoré reagujú vždy rovnako, sa tento metamateriál dá mechanicky nastaviť. Vedci môžu presne určiť, ako veľmi sa bude môcť krútiť, čím priamo menia jeho tvrdosť a schopnosť tlmiť nárazy.
Iné vlastnosti na základe krútenia
V experimentoch tím otestoval tri varianty materiálu s rôznym stupňom krútenia. Keď mu úplne zabránili v rotácii, stal sa extrémne tuhým a pohltil až 15,36 joulov energie na gram. Pri voľnom krútení bola jeho odolnosť asi o desať percent nižšia, no reagoval pružnejšie. Ak sa však nechal „pretočiť“, jeho schopnosť absorbovať energiu klesla o približne tretinu. Tieto výsledky potvrdili, že nový materiál dokáže prechádzať z tvrdého panciera na mäkký tlmič len na základe mechanického nastavenia, bez potreby akejkoľvek elektroniky či senzorov.
Profesor Kumar vysvetľuje, že v porovnaní so súčasnými ochrannými materiálmi ide o úplne nový prístup.
„Materiály, ktoré používame dnes, sú navrhnuté pre konkrétnu situáciu. Tento nový metamateriál sa dokáže prispôsobiť. Keď ho stlačíme, jeho gyroidová sieť premení tlak na rotáciu a tým mení svoje správanie podľa podmienok. Ide o novú triedu ochranných materiálov, ktoré sa dokážu adaptovať bez potreby elektroniky alebo hydrauliky,“ vysvetlil vedec.
Prakticky to znamená, že vozidlo vybavené takýmto materiálom by vedelo reagovať odlišne pri každom type kolízie. Pri čelnom náraze by karoséria stuhla, pri bočnom by sa viac poddala a pri pomalom náraze napríklad pri parkovaní by len jemne tlmila energiu. Konštrukcia by tak mohla reagovať „inteligentne“ bez potreby akejkoľvek elektroniky či riadiaceho systému.
Neprehliadni
Okrem automobilového priemyslu by mohol metamateriál nájsť využitie aj v letectve, astronautike alebo v energetike. Pretože sa pri náraze krúti, dokáže premieňať nárazovú energiu na rotačnú kinetickú energiu, čo otvára možnosti pre nové spôsoby zberu energie z otrasov a vibrácií. Ide teda nielen o ochranu, ale aj o potenciálny zdroj energie v budúcich technológiách.
Prelomový objav v oblasti automobilov
Aby vedci dokázali správanie materiálu popísať čo najpresnejšie, vytvorili komplexný teoretický a výpočtový model, ktorý predpovedá reakcie gyroidových štruktúr pri rôznych typoch zaťaženia. Pre presné zosúladenie simulácií s reálnymi experimentmi do modelu integrovali rekonštrukcie z mikro-CT počítačovej tomografie vytlačených vzoriek. Tento krok umožnil presne kvantifikovať geometrické nedokonalosti, ktoré vznikli počas 3D tlače. Ide o detail, ktorý sa často prehliada, ale v tomto prípade bol rozhodujúci pre numericko-experimentálnu presnosť výsledkov.
Výsledky výskumu ukazujú, že budúce autá sa nebudú len deformovať, ale aj „otáčať“ proti nárazu. Nový typ 3D-tlačeného materiálu by tak mohol znamenať začiatok éry, v ktorej sa karoséria vozidla prispôsobí sile nárazu rovnako prirodzene, ako sa človek inštinktívne uhne pred pádom.
