مقالات
استفاده Spacex از استیل ضد زنگ در ساخت راکت مریخ نورد
مهر
شاید در دنیا کمتر کسی باشد که نام ایلان ماسک و پروژه‌های هیجان‌انگیزش را نشنیده باشد. ایلان ماسک که در حال حاضر یکی از ثروتمندترین افراد جهان است، بخشی از ثروت خود را به پروژه‌هایی در رابطه با سفر و اکتشاف فضایی اختصاص داده است. یکی از این پروژه‌ها شرکت اسپیس ایکس (SpaceX) است و هدف از آن سفرهای میان‌سیاره‌ای است. نکته قابل‌توجه در این پروژه استفاده از استیل برای ساخت فضاپیما و مریخ‌نورد است؛ اما چه هدفی پشت استفاده SpaceX از استیل وجود دارد؟ برای درک بهتر این مطلب تا انتهای این مطلب از بلاگ استیل رخ همراه ما باشید.
پروژه عظیم و متفاوت اسپیس ایکس
سال 2002 شرکت اسپیس ایکس توسط ایلان ماسک تأسیس شد. هدف بلندمدت این شرکت، کاهش هزینهٔ دسترسی به فضا و فراهم کردن شرایط سفر و سکونت انسان در مریخ است. تحقق این هدف به موشک‌ها و فضاپیماهای مختلفی نیاز داشت. یکی از این پروژه‌ها Starship نام دارد که درواقع به‌عنوان یک سیستم پرتاب با قابلیت کامل استفادهٔ مجدد برای پروازهای مداری و بین‌سیاره‌ای طراحی شده است.
اسپیس ایکس شاید به‌خاطر استفاده مجدد در موشک‌های فالکون 9 نیز شهرت بسیار زیادی را کسب کرده است. چیزی که موشک‌های پروژه Starship را منحصربه‌فرد می‌کند، استفاده از تکنولوژی جالب‌توجه برای ساخت بدنه این موشک و تقویت‌کننده فوق سنگین آن است. اسپیس ایکس در ابتدا قرار بود که از فیبر کربن پیشرفته استفاده کند؛ اما بعدها اعلام شد که SpaceX قصد دارد تا از فولادهای ضد زنگ سری 300 برای ساخت بدنه دستگاه‌های خود استفاده کند.
استفاده SpaceX از استیل، نخستین استفادهٔ جدی از این آلیاژ در بدنهٔ اصلی یک موشک پس از موشک‌های اطلس (Atlas) در دهه 1950 و مرحلهٔ بالایی سنتور (Centaur) است که از مخازن بالونی و جدار نازک استنلس استیل بهره می‌بردند؛ از این‌رو می‌توان چنین نتیجه گرفت که اسپیس ایکس متوجه شده است که برای سفر بین‌سیاره‌ای، انتخاب مواد مناسب عامل بسیار مهمی در موفقیت موشک‌ها خواهد بود.
استفاده SpaceX از استنلس استیل، چرا و چطور؟
بدنه استنلس استیل مریخ نورد اسپیس ایکس این سؤال را در ذهن علاقه‌مندان ایجاد کرده است که دلیل استفاده از استنلس استیل یا فولاد ضدزنگ در SpaceX چیست؟ چرا این شرکت از این ماده اولیه برای ساخت استارشیپ خود استفاده کرده است. ازجمله دلایلی که این افراد برای گفته‌های خود می‌آوردند، نسبت وزن به استحکام این ماده است. درواقع همین ویژگی باعث شده بود تا بیشتر موشک‌های مدرن از نوعی آلیاژ آلومینیوم استفاده کنند.
این آلیاژ سبک‌تر بوده و ارسال آن به فضا، ارزان‌تر خواهد بود. ایلان ماسک در یکی از سخنرانی‌های خود (سپتامبر 2019) دلیل استفاده از استیل در مریخ نورد SpaceX را عنوان کرد. هزینه یکی از اصلی‌ترین این دلایل بود. فیبر کربن به‌ازای هر کیلوگرم، 135 دلار قیمت دارد که در این میان 35% از مواد نیز ضایعات خواهند شد؛ از این‌رو می‌توان پی برد که هزینه واقعی فیبر کربن چیزی در حدود 200 دلار برای هر کیلوگرم است.
شاید بپرسید که هزینه استفاده از استیل برای ساخت مریخ‌نوردها چقدر خواهد بود؟ البته پاسخ آن شما را هم به تعجب خواهد انداخت؛ اما یکی از دلایل اصلی استفاده Spacex از استیل، قیمت حدودی 3 تا 6 دلاری هر کیلوگرم استیل برای استفاده از این ماده در ساخت مریخ‌نوردها است. اکنون به‌خوبی متوجه می‌شوید که چرا ایلان ماسک از استیل برای ساخت بدنه مریخ‌نوردهای خود بهره برده است.
قابلیت تحمل دما استیل
کل ایده پشت استارشیپ آن است که از این فضاپیما به‌عنوان یک وسیله نقلیه بین سیاره‌ای استفاده شود. این بدان معناست که در هنگام فرود و صعود از اتمسفر سیاره‌ای، فضاپیماها باید چندین و چند بار در معرض دماهای بسیار بالا و پایین قرار بگیرند. اینجا است که استیل به‌خوبی می‌تواند بدرخشد! فولاد ضدزنگ یا استنلس استیل قابلیت تحمل دماهای بسیار زیاد را داشته و می‌تواند تغییرات دمایی مختلفی را تاب بیاورد. این برگ برنده استنلس استیل در مقایسه با سایر فلزات است.
زمانی که سفینهٔ فضایی وارد اتمسفر یک سیاره می‌شود، نیروی پسا (مقاومت هوا) سرعت آن را کاهش می‌دهد. این اتفاق باعث ایجاد گرمای بسیار شدیدی می‌شود که استیل به‌مراتب بهتر از آلومینیوم و کامپوزیت‌های کربنی از پس آن برمی‌آید؛ ازاین‌رو یکی دیگر از دلایل استفاده SpaceX از استیل، تحمل دمایی بسیار خوب این فلز است. اسپیس ایکس در طرح‌های اولیه حتی در نظر داشت با عبور دادن سیال سرد از زیر پوستهٔ بیرونی سفینه، آن را خنک‌تر نگه دارد.
استارشیپ؛ سفینه فضایی بزرگ اسپیس ایکس ساخته‌شده از مواد مناسب
نقطه ذوب بالای استیل یک مزیت بزرگ در سفرهای فضایی به شمار می‌رود. آلومینیوم یا فیبر کربن تنها می‌توانند دمای عملیاتی 150 درجه سانتی‌گراد و در دوره‌های کوتاه‌مدت 180 تا 200 درجه سانتی‌گراد را تحمل کنند. بااینکه برخی از الیاف کربن قادر خواهند بود تا به‌صورت مداوم در دمای 200 درجه سانتی‌گراد کار کنند؛ اما این الیاف در این شرایط با کاهش استحکام همراه خواهند شد. این در حالی است که بدنه استیل مریخ نورد می‌تواند دماهای فوق‌العاده بالایی را تحمل کند.
استیل ضدزنگ استحکام خود را در دماهای بالا به‌مراتب بهتر از آلومینیوم حفظ می‌کند و طبق گفتهٔ ایلان ماسک، می‌تواند دماهایی در حدود 820 تا 870 درجه سانتی‌گراد را تحمل کند. با این حال، دمای سطح سفینه هنگام ورود به جو بسیار بالاتر از این مقدار است و به همین دلیل استارشیپ به یک سپر حرارتی نیز نیاز دارد.
در طرح اولیه‌ای که ایلان ماسک در سال 2019 معرفی کرد، قرار بود سپر حرارتی از دو لایه استیل ضدزنگ تشکیل شود که سیال خنک‌کننده از میان آن‌ها عبور کند و از سوراخ‌های بسیار ریز لایهٔ بیرونی خارج شود تا با تبخیر، دمای سطح را پایین نگه دارد؛ سازوکاری شبیه به تعرق بدن انسان. اسپیس ایکس بعدها این ایده را کنار گذاشت و اکنون سمت رو به جریان بدنهٔ استارشیپ با کاشی‌های سرامیکی شش‌ضلعی پوشانده می‌شود. با این حال، تحمل دمای بالای بدنهٔ استیلی باعث می‌شود سمت دیگر سفینه به محافظ حرارتی نیاز نداشته باشد و سپر حرارتی سبک‌تری کافی باشد.
نسبت وزن به استحکام استیل
همان‌طور که عنوان شد، بسیاری از منتقدان استفاده SpaceX از استیل را به دلیل نسبت وزن به استحکام استیل یکی از دلایلی می‌‌دانند که شاید بعدها باعث عدم موفقیت این پروژه شود. این حرف کاملاً منطقی خواهد بود. هنگام پرتاب یک سفینه فضایی به خارج از جو زمین، وزن نقش حیاتی خواهد داشت. گرم به گرم وزن اجزای سفینه فضایی باید در نظر گرفته شده و در محاسبات منظور شود.
ازاین‌رو تا جایی که امکان دارد، وزن سفینه فضایی باید کاهش پیدا کند. این در حالی است که استفاده از استیل در ساخت بدنه این فضاپیماها باعث هرچه سنگین‌تر شدن آن‌ها شده است. در پاسخ به منتقدان باید اشاره کرد که این تنها یک طرف ماجرا است. از طرف دیگر، استیل دارای مزایای منحصربه‌فردی است که در هیچ آلیاژ یا ماده دیگری نمی‌توان آن‌ها را پیدا کرد. این مزایا و ویژگی‌ها باعث شده استیل همچنان یکی از اصلی‌ترین انتخاب‌ها برای ساخت استارشیپ در نظر گرفته شود.
بیشتر بخوانید: سایبرتراک، خودروی آینده با بدنه‌ای از استنلس استیل
مزایا و ویژگی‌های استیل در ساخت استارشیپ
برای درک دلیل استفاده SpaceX از استیل، کافی است تا برای یک‌لحظه فضای نامتناهی را در ذهن خود متصور شوید. در این فضای تاریک و بیکران، دما به چیزی در حدود 270 درجه زیر صفر خواهد رسید! دمایی که شاید کمتر ماده‌ای می‌تواند آن را تحمل کند. عناصر و آلیاژهای مختلف در چنین دمایی بسیار شکننده می‌شوند و با هر تنشی از هم می‌پاشند. این در حالی است که استحکام استیل در دماهای برودتی تا 50% افزایش پیدا می‌کند.
در ساخت استیل از عناصر مختلفی استفاده می‌شود که هرکدام از آن‌ها ویژگی‌های منحصربه‌فردی به استنلس استیل یا فولاد ضدزنگ خواهند بخشید. دو عنصر بسیار مهم و حیاتی در این آلیاژ کروم و نیکل هستند. نیکل با پایدار کردن ساختار آستنیتی باعث شده تا این آلیاژ در دماهای بسیار پایین نیز شکننده نشود؛ همچنین برای یک موشک بین سیاره‌ای، شکل‌پذیری بالا، چقرمگی زیاد، تاب آوری دماهای بالا و احتمال شکستگی بسیار کم در محیط‌های برودتی، بسیار حیاتی خواهد بود.
تمامی این ویژگی‌ها در کنار یکدیگر باعث می‌شود که عیب سنگینی استیل تا حد زیادی جبران شود؛ چرا که استحکام بالای آن در دماهای برودتی و نیاز کمتر به سپر حرارتی، اختلاف وزن نهایی با سازه‌های کامپوزیتی را کاهش می‌دهد. پس حتی در زمینهٔ وزن نیز انتخاب استیل از سوی SpaceX منطقی است.
قابلیت استفاده مجدد از استارشیپ
استارشیپ برای استفاده‌های مکرر طراحی شده است. اسپیس ایکس ادعا دارد که این سفینه می‌تواند مدت کوتاهی پس از فرود مجدداً برای پرتاب آماده شود. در نمونه‌های اولیه از استیل 301 استفاده شد؛ اما اسپیس ایکس در ادامه به گرید 304L روی آورد که جوش‌پذیری و رفتار مناسبی در دماهای برودتی دارد. هم‌زمان، این شرکت روی آلیاژ اختصاصی سری 300 (موسوم به 30X) نیز کار کرده است.
نکتهٔ جالب دیگر، روش ساخت بدنهٔ استارشیپ است. بدنهٔ این سفینه از حلقه‌هایی با قطر حدود ۹ متر تشکیل می‌شود که از ورق استیل با ضخامت چند میلی‌متر خم و سپس به یکدیگر جوشکاری می‌شوند. همین موضوع نشان می‌دهد که کیفیت ورق، یکنواختی ضخامت و جوش‌پذیری گرید انتخابی تا چه حد در سازه‌های حساس و تحت فشار اهمیت دارد.
استفاده پروژه‌های فضایی SpaceX از استیل روزبه‌روز در حال افزایش است و واضح و مبرهن است که مهندسان و سازندگان اسپیس ایکس از مواد مختلفی برای تحقق اهداف خود استفاده می‌کنند. آن‌ها در تلاش هستند تا هرچه سریع‌تر مراحل سفرهای میان‌سیاره‌ای را فراهم کرده و مریخ را برای سکونت انسان آماده کنند. در این میان نیز از استیل ضدزنگ و ویژگی‌ها و قابلیت‌های آن برای ساخت سفینه‌های خود بهره می‌برند.
سخن آخر
اسپیس ایکس شرکتی است که هدف بلندمدت آن سفر انسان به مریخ و سایر سیاره‌هاست. این شرکت از آلیاژهای استنلس استیل برای ساخت سفینهٔ استارشیپ خود بهره برده است. ایلان ماسک دلیل استفاده SpaceX از استیل را هزینهٔ پایین‌تر، تحمل دماهای بسیار بالا و بسیار پایین، استحکام بالا در دماهای برودتی و مقاومت در برابر تغییرات دمایی عنوان کرده است. در این میان، همین ویژگی‌ها بخش زیادی از عیب سنگینی استیل را جبران کرده و امکان استفادهٔ مکرر از سفینه را فراهم می‌کند.