Parole d’un matériau extraordinairement peu coûteux, suffisamment léger pour protéger les satellites contre les débris dans le froid de l’espace, suffisamment cohésif pour renforcer les parois des vaisseaux sous pression connaissant des conditions moyennes sur Terre et pourtant suffisamment résistant à la chaleur à 1 500 degrés Celsius ou 2 732 degrés Fahrenheit pour protéger les instruments contre les débris volants, soulève la question : quel matériau unique pourrait faire tout cela ?
La réponse, trouvée aux laboratoires nationaux de Sandia, est douce comme du sucre.
C’est parce qu’il s’agit en fait de sucre – de très fines couches de sucre de confiserie provenant des épiciers, brûlées à un état appelé noir de carbone, intercalées entre des couches de silice légèrement plus épaisses, qui est le matériau le plus courant sur Terre, et cuites. Le résultat ressemble à un gâteau en couches fines, ou plus précisément à la superposition organique et inorganique d’un coquillage, chaque couche aidant la suivante à contenir et à atténuer les chocs.
« Un matériau qui peut survivre à une variété d’insultes – mécaniques, chocs et rayons X – peut être utilisé pour résister à des conditions environnementales difficiles », a déclaré le chercheur de Sandia Guangping Xu, qui a dirigé le développement du nouveau revêtement. « Ce matériau n’était pas facilement disponible. Nous pensons que notre nanocomposite en couches, imitant la structure d’un coquillage, est cette réponse. »
Plus important encore, a déclaré Xu, « Le revêtement auto-assemblé est non seulement léger et mécaniquement solide, mais aussi suffisamment stable thermiquement pour protéger les instruments des machines de fusion expérimentales contre leurs propres débris générés où les températures peuvent être d’environ 1 500 C. C’était l’objectif initial. du travail. »
« Et ce n’est peut-être que le début », a déclaré le consultant Rick Spielman, scientifique principal et professeur de physique au Laboratoire d’énergie laser de l’Université de Rochester, crédité d’avoir dirigé la conception initiale de la machine Z de Sandia, l’une des destinations pour lesquelles le nouveau matériel est prévu. « Il y a probablement une centaine d’utilisations auxquelles nous n’avons pas pensé. » Il envisage d’éventuelles applications d’électrodes retardant, plutôt que bloquant, les émissions d’électrons de surface.
Aide à la mission de survivabilité nucléaire
Le revêtement, qui peut être appliqué sur une variété de substrats sans problèmes environnementaux, a fait l’objet d’une demande de brevet Sandia en juin 2021, d’une conférence invitée lors d’une conférence sur l’énergie pulsée en décembre 2021 et à nouveau dans un article technique récent dans Avances MRSdont Xu est l’auteur principal.
Le travail a été effectué en prévision du blindage accru qui sera nécessaire pour protéger les objets de test, les diagnostics et les pilotes à l’intérieur des machines à puissance pulsée plus puissantes du futur. La machine Z à puissance pulsée de Sandia – actuellement le plus puissant producteur de rayons X sur Terre – et ses successeurs nécessiteront certainement une protection encore plus grande contre les débris contre des forces qui pourraient se comparer à de nombreux bâtons de dynamite explosant à courte distance.
« Le nouveau blindage devrait avoir un impact favorable sur notre mission de capacité de survie nucléaire », a déclaré l’auteur de l’article et physicien de Sandia, Chad McCoy. « Z est la source de rayons X la plus brillante au monde, mais la quantité de rayons X ne représente que quelques pour cent de l’énergie totale libérée. Le reste n’est que choc et débris. Lorsque nous essayons de comprendre comment la matière, comme les métaux et polymères – interagissent avec les rayons X, nous voulons savoir si les débris endommagent nos échantillons, ont modifié leur microstructure. À l’heure actuelle, nous sommes à la limite où nous pouvons protéger les matériaux des échantillons contre les insultes indésirables, mais des machines de test plus puissantes nécessiteront un meilleur blindage, et cette nouvelle technologie peut permettre une protection appropriée. »
D’autres utilisations moins spécialisées restent possibles.
Le bouclier peu coûteux et respectueux de l’environnement est suffisamment léger pour voyager dans l’espace en tant que couche protectrice sur les satellites, car relativement peu de matériau est nécessaire pour obtenir la même résilience qu’un blindage plus lourd mais moins efficace actuellement utilisé pour se protéger contre les collisions avec des débris spatiaux. « Les satellites dans l’espace sont constamment touchés par des débris se déplaçant à quelques kilomètres par seconde, la même vitesse que les débris de Z », a déclaré McCoy. « Avec ce revêtement, nous pouvons rendre le pare-débris plus fin, ce qui diminue le poids. »
Les revêtements de protection plus épais sont suffisamment durables pour renforcer les parois des récipients sous pression lorsque les onces supplémentaires ne sont pas un problème.
Réduction spectaculaire des coûts prévue
Selon Guangping, le coût des matériaux pour fabriquer un revêtement de 2 pouces de diamètre du nouveau matériau de protection, 45 millionièmes de mètre et de microns d’épaisseur, n’est que de 25 cents. En revanche, une plaquette de béryllium – la correspondance la plus proche des propriétés thermiques et mécaniques du nouveau revêtement, et utilisée dans la machine Z de Sandia et d’autres sites de fusion comme boucliers protecteurs – coûte 700 $ aux prix récents du marché pour un carré de 1 pouce, 23 – une plaquette d’un micron d’épaisseur, qui est 3 800 fois plus chère que le nouveau film de même surface et de même épaisseur.
Les deux revêtements peuvent survivre à des températures bien supérieures à 1 000 °C, mais une autre considération est que le nouveau revêtement est respectueux de l’environnement. Seul de l’éthanol est ajouté pour faciliter le processus de revêtement. Le béryllium crée des conditions toxiques et ses environs doivent être nettoyés du danger après son utilisation.
Comment se sont déroulés les tests
Le principe d’alternance de couches organiques et inorganiques, facteur majeur de longévité des coquillages, est clé pour renforcer le revêtement Sandia. Les couches de sucre organique brûlées au noir de carbone agissent comme un calfeutrage, a déclaré Hongyou Fan, directeur de Sandia et auteur de l’article. Ils empêchent également les fissures de se propager à travers la structure de silice inorganique et fournissent des couches de rembourrage pour augmenter sa résistance mécanique, comme cela a été rapporté il y a 20 ans dans une précédente tentative de Sandia pour imiter le mode coquillage.
Greg Frye-Mason, directeur de campagne Sandia pour la campagne de mission Assured Survivability and Agility with Pulsed Power, ou ASAP, Laboratory Directed Research and Development finançant la recherche, avait initialement des doutes sur l’insertion de carbone.
« Je pensais que les couches organiques limiteraient l’applicabilité puisque la plupart se dégradent de 400 à 500 C », a-t-il déclaré.
Mais lorsque le concept de noir de carbone a démontré sa robustesse à plus de 1 000 °C, le résultat positif a surmonté le plus grand risque que Frye-Mason considérait comme faisant face au projet.
Les revêtements de type coquillage initialement testés à Sandia variaient de quelques à 13 couches. Ces matériaux alternés ont été pressés les uns contre les autres après avoir été chauffés par paires, de sorte que leurs surfaces se sont réticulées. Des tests ont montré que de telles couches nanocomposites entrelacées de silice avec le sucre brûlé, connu sous le nom de noir de carbone après pyrolyse, sont 80% plus résistantes que la silice elle-même et thermiquement stables à environ 1 650 C. Des efforts de frittage ultérieurs ont montré que les couches, auto-assemblées par une rotation -processus de revêtement, pourraient être cuits par lots et leurs surfaces individuelles encore réticulées de manière satisfaisante, éliminant la fastidieuse cuisson de chaque couche. Le procédé le plus efficace a atteint à peu près la même résistance mécanique.
La recherche sur le revêtement visait à développer des méthodes pour protéger les diagnostics et les échantillons de test sur Z et sur les machines à puissance pulsée de nouvelle génération contre les débris volants.
« Ce revêtement est admissible », a déclaré Frye-Mason.
Guangping Xu et al, Synthèse bioinspirée de revêtements nanocomposites thermiquement stables et mécaniquement résistants, Avances MRS (2022). DOI : 10.1557/s43580-022-00245-y