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Wassergefüllte Aluminium-Eierstruktur soll Raumsonden vor Einschlägen schützen
Hühnereier sind sehr stabil. Forscher nutzen das aus, indem sie einen Schutz aus in einem Array angeordneten, wassergefüllten Aluminiumeiern erstellen.
Eine schematische Ansicht des Aluminiumeier-Arrays. Die Deckplatte aus Aluminium fehlt hier.
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It was translated with technical assistance and editorially reviewed before publication.
Ein Forschungsteam der chinesischen Dalian University of Technology hat eine Struktur aus wassergefüllten Aluminiumeiern entwickelt, die Aufpralle von mit hoher Geschwindigkeit auf etwa Weltraumsonden und -teleskopen einwirkenden Trümmerteilen in der erdnahen Umlaufbahn oder von Mikrometeoriten im Weltraum zu einem hohen Prozentteil mindern kann. Beschädigungen sollen damit niedriger ausfallen und betreffen dann im günstigsten Fall lediglich die Schutzstruktur.
Biologische Eier können aufgrund der gleichmäßigen Druckverteilung durch die innere Flüssigkeit aus Eiweiß und Eigelb von außen einwirkenden Kräften von mehr als 20 kg standhalten. Obwohl die Kalkschale eines Hühnereis nur bis zu 0,4 mm stark ist, ist sie sehr belastbar. Die chinesischen Wissenschaftler der Dalian University of Technology haben sich die Eigenschaften eines einzelnen Eis zunutze gemacht und sie durch eine Anordnung von vielen mit Wasser aufgefüllten Aluminiumeiern neben- und hintereinander zwischen zwei Aluminiumaufprallplatten verstärkt. Die Untersuchungen haben die Forscher in der Studie „Dynamics analysis on the water-filled aluminum eggshell array metastructure under hypervelocity impact“ festgehalten, die im Journal of Applied Physics veröffentlicht ist.
Durch die Anordnung der Eier in einem Array zwischen zwei Aluminiumplatten wird der Schutzmechanismus verstärkt. Beim Auftreffen einer Kraft verformen sich die Eierschalenelemente gemeinsam. Dadurch wird die lokale Aufprallkraft in eine verteilte Energiedissipation innerhalb der Metastruktur umgewandelt. Dies verbessert die Stoßfestigkeit der Aluminiumplatten stark.
Dazu trägt auch das Wasser in den Eiern bei. Bei hoher Belastung schwappt das Wasser hin und her und dämpft durch die Ausbreitung von Stoßwellen den Aufprall. Die Wechselwirkung zwischen dem Wasser und der Eierschale aus Aluminium dissipiert die Aufprallenergie und reduziert sie deutlich.
Die Forscher führten Stoßtests in Simulationen und mit 3D-gedruckten Aluminium-Eier- und Kugelstrukturen durch, die zwischen zwei Aluminiumplatten eingebettet waren. Dabei schnitten die mit Wasser gefüllten Eierstrukturen am besten ab. Die Struktur konnte die Geschwindigkeit eines einschlagenden Projektils um knapp 65 Prozent reduzieren. Die Aluminiumplatten allein reduzierten den Aufprall um lediglich 51 Prozent. Die Anordnung der Eierstruktur war dabei für deren Effektivität entscheidend: Die Aluminiumeier müssen senkrecht zwischen den beiden Aluminiumplatten angeordnet sein, sodass das schmale Ende der Eier die Deckplatte berührt.
Die Technik muss jedoch noch verbessert werden, bevor sie als Schutz an etwa Raumsonden eingesetzt werden kann, stellen die Forscher fest. Die Geometrie und die Füllung der Eier müssen optimiert und die Struktur Stoßtests unterzogen werden. Die Wissenschaftler arbeiten bereits daran, die Dicke der Aluminium-Eierschalen, das Seitenverhältnis und die Anordnung zu optimieren. Das soll die Energieabsorption verbessern und die Schutzwirkung erhöhen.
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