الفيزياء الحرارية للتطبيقات الفضائية ومشاريع المباني المستدامة

معهد Österreichische Gießerei-Institut (ÖGI، المعهد النمساوي للمسابك) هو معهد أبحاث مشترك لصناعة المسابك النمساوية يعمل به حوالي 40 موظفًا. ويتعامل المعهد مع القضايا في صناعة المسابك ويدير مسبك الاختبار الخاص به، حيث يتم إجراء البحوث الموجهة نحو التطبيق في عمليات الصب وسبك السبائك ذات الصلة. علاوةً على ذلك، يُعد معهد ÖGI أيضًا أحد مختبرات الاختبار الرائدة في النمسا. هنا، تتحرك ÖGI إلى ما هو أبعد من المجال الأساسي الفعلي لصناعة المسابك وتكنولوجيا المعادن. تغطي مجموعة خدمات البحث والاختبار الخاصة بهم مجموعة واسعة من التطبيقات: الاختبارات غير المتلفة عن طريق الأشعة السينية والتصوير المقطعي بالكمبيوتر، حيث يتم اختبار عينات من صناعة مواد البناء أو المستحضرات الصيدلانية بالإضافة إلى المكونات المسبوكة؛ والفيزياء الحرارية، مع مجموعة واسعة من المواد وكذلك المحاكاة العددية لعمليات الصب وتحليل الأعطال؛ وحتى تكنولوجيا الربط/الأسطح والترابط.

كمعهد أبحاث غير جامعي، تم اعتماد ÖGI كمختبر اختبار لـ 26 طريقة اختبار من قبل هيئة الاعتماد النمساوية في المجالات التشغيلية للمختبر الكيميائي والمختبر الميكانيكي والمختبر الفيزيائي وعلم المعادن. يتوافق مختبر الاختبار مع متطلبات EN ISO/IEC 17025:2017. في المختبر الفيزيائي الحراري، يتم تحديد معلمات المواد مثل الموصلية الحرارية والتمدد الحراري والسعة الحرارية من درجات الحرارة المنخفضة جدًا إلى درجات الحرارة العالية جدًا. تعتبر البيانات ذات أهمية كبيرة لأي تطوير للمواد، ولكنها تعمل أيضًا كمعلمات مدخلات للمحاكاة العددية. ومع ذلك، فإن نطاق المواد في المختبر الفيزيائي الحراري لا يقتصر على السبائك المعدنية، والتي يتم توصيفها في المقام الأول في الحالة الصلبة ولكن أيضًا في الحالة السائلة. ويشمل أيضًا مواد الصب القائمة على الرمل المستخدمة في صناعة المسابك، ومواد البناء مثل الجبس ومختلف الأخشاب أو المواد القائمة على الخشب، وأنواع الزجاج والمواد الخزفية.

وبالإضافة إلى موثوقية الأدوات التحليلية، كان دعم العملاء الممتاز الذي قدمته شركة NETZSCH-Gerätebau GmbH حاسمًا في هذا التعاون الذي استمر لمدة طويلة. لقد كان توافر قطع الغيار على المدى الطويل بنفس أهمية الخدمة الممتازة والمتاحة دائمًا في الموقع، إلى جانب خيار الصيانة الشاملة للأنظمة مباشرةً في NETZSCH-Gerätebau GmbH في سيلب. يتيح هذا المزيج لشركة ÖGI تقديم مجموعة واسعة من التطبيقات مع المواد الصعبة لعملائها وشركائها في نطاق التعاون الثنائي بين المشاريع الوطنية والدولية.

تحليل المواد للتطبيقات الفضائية

كما أصبحت المواد المخصصة للتطبيقات الفضائية جزءًا مهمًا من طيف المواد في ÖGI. ففي كل أسبوع، تدخل عدة أطنان من المواد من المركبات الفضائية المهجورة إلى الغلاف الجوي للأرض. والمشكلة هنا هي التفكك غير المنضبط لحطام هذه المركبات الفضائية. تتطلب الاتفاقيات الدولية الآن إما إعادة الدخول المتحكم فيه أو تقييم مخاطر التحطم غير المتحكم فيه لكل إقلاع جديد في المدار الأرضي المنخفض. وتُجرى عمليات محاكاة عددية للتحميل الحراري والميكانيكي أو الاحتراق أثناء العودة إلى الغلاف الجوي من أجل إدارة المخاطر. من أجل تحسين القدرة على التنبؤ، هناك حاجة إلى بيانات مواد صالحة حتى درجات حرارة عالية جداً أو وصولاً إلى المرحلة المنصهرة.

كانت ÖGI ولا تزال ممثلة في العديد من المشاريع البحثية والتعاون الدولي. يتم اختبار مجموعة واسعة من المواد، بما في ذلك السبائك المعدنية، والبلاستيك المقوى بألياف الكربون المستخدم في الأقمار الصناعية ومراحل الصواريخ، والأقمشة الخزفية والهلام الجوي ورغاوي الجرافيت المستخدمة كمركبات طبقات لدروع الحماية من الحرارة القابلة للنفخ.

ومع ذلك، فإن الأقمشة الخزفية ورغاوي الجرافيت تمثل تحديًا خاصًا لتوصيف المواد المستخدمة في التطبيقات الفضائية. وكما ذُكر، تُستخدم هذه المواد كمركبات طبقات لدروع الحماية الحرارية القابلة للنفخ (أنظمة الحماية الحرارية المتقدمة القابلة للنفخ) لبعثات الأرض والمريخ المستقبلية (الشكل 2). ونظراً لأن معرفة خصائص المواد مطلوبة لدرجات حرارة أعلى بكثير من 1000 درجة مئوية، يمكن استخدام طريقة الوميض الليزري فقط؛ فهي الأداة الوحيدة القادرة على تحديد الانتشار الحراري في نطاق درجات الحرارة العالية. يتم استخدام نظامي LFA 427 من شركة NETZSCH في ÖGI لهذا الغرض. لا تكمن ميزة طريقة الوميض بالليزر في نطاق درجة الحرارة الواسع فحسب، بل تكمن أيضًا في قدرتها على قياس الأقمشة ورغاوي الجرافيت تحت ضغوط وأجواء غازية مختلفة.

يجب أن ترتقي منهجية القياس والتقييم إلى مستوى المتطلبات التي تفرضها ليس فقط مشكلات مثل إنتاج العينات المناسبة، والسماكة التي يصعب تحديدها للأقمشة ورغوة الجرافيت، وعدم التجانس الجزئي، ولكن أيضًا تلك التي تفرضها مسامية المواد. في المثال التالي، تم اختبار كل من رغوة الجرافيت والأيروجيل في جو من الأرجون. يوضح الشكل 3 إشارة القياس (باللون الأزرق) بمرور الوقت لرغوة الجرافيت؛ ويوضح الشكل 4 للأيروجيل. نظرًا للهيكل المسامي للمادتين، لم يعد يتم امتصاص نبض الليزر بالكامل عند السطح. ولحساب امتصاص نبضة الليزر في بنية المسام، يتم استخدام نموذج الاختراق الخاص ببرنامج NETZSCH Proteus^® LFA في كلتا الحالتين. ولتقليل تأثيرات التدفق الحراري الطفيلي إلى الحد الأدنى، يتم تحديد نهاية نطاق تركيب المنحنى (باللون الأحمر) بعد الحد الأقصى بفترة قصيرة. في حالة المواد الشفافة إشعاعيًا جزئيًا، مثل الهلام الهوائي، لا تؤخذ الإشارة الأولية في الاعتبار في التقييم.

كان من الممكن استخدام الخبرة المكتسبة في ÖGI من قياس المواد المسامية أو المتحللة جزئيًا من صناعة الفضاء لبناء الخبرة في مجال تطبيق آخر: المواد الخشبية كمواد بناء لمشاريع البناء المستدامة في المستقبل.

المواد المستندة إلى الخشب لمشاريع البناء المستدام

شهد الخشب كمواد بناء طفرة قوية في السنوات الأخيرة. وتستمر حصته في مشاريع البناء المستقبلية في الارتفاع بسبب الخصائص الإيجابية للخشب من حيث تقليل انبعاثات _ثاني أكسيد الكربون، وانخفاض استهلاك الطاقة أثناء الإنتاج، وكذلك خصائص العزل الحراري. وفي هذا السياق، يتم استخدام المواد الخشبية ليس فقط في منازل الأسرة الواحدة، ولكن أيضًا بشكل متزايد في المباني متعددة الطوابق أو في مشاريع البناء الشاهقة. وهذا يسمح بإعادة التكثيف المستدام في المناطق الحضرية. ومع ذلك، فإن الاستخدام المتزايد للمواد القائمة على الخشب يضع أيضاً متطلبات أعلى للحماية من الحرائق على الخشب كمادة. يجب إثبات مقاومة الإنشاءات الخشبية للحريق، وحتى الآن، يتم ذلك عن طريق اختبارات الحريق التي تستغرق وقتاً طويلاً وتستهلك الكثير من التكاليف. لذلك، كما هو الحال مع المواد المستخدمة في التطبيقات الفضائية، هناك اهتمام كبير بتطبيق المحاكاة العددية؛ في هذه الحالة، للتنبؤ بسلوك الحرائق في الهياكل الخشبية. كبيانات مدخلات للحسابات، هناك حاجة مرة أخرى إلى بيانات فيزيائية حرارية للمواد الخشبية في حالات مختلفة: للخشب الرطب، والخشب الجاف، والمواد المتحللة حرارياً حتى درجة حرارة عالية تصل إلى 900 درجة مئوية. يتم جمع هذه البيانات في ÖGI باستخدام أدوات التحليل من قبل شركة NETZSCH-Gerätebau GmbH؛ ويستخدم جهاز LFA 427 لهذا الغرض، من بين أمور أخرى.

يتم تقديم تحدٍ خاص في توصيف المواد الخشبية حتى نطاق درجات الحرارة العالية التي تصل إلى عدة مئات من الدرجات من ناحية، من خلال الطابع المسامي للخشب، ومن ناحية أخرى، من خلال تحلل المادة تحت تأثير التعرض للحرارة العالية، كما هو الحال مع طلقات الليزر في LFA. ولقياس الخشب حتى حد الاستقرار الحراري (بداية التحلل الحراري)، يجب بالتالي أن تكون العينات المحضرة مغلفة بشكل مناسب. وتحقيقًا لهذه الغاية، أثبتت رقاقة نحاسية لاصقة (حوالي 35 ميكرومتر رقاقة نحاسية + 35 ميكرومتر لاصق أكريليت) على الجانب السفلي من العينة أنها طلاء مناسب. ونظرًا للطابع المسامي للخشب، يجب أيضًا طلاء العينات على الجانب العلوي من أجل منع اكتشاف ارتفاع درجة الحرارة على الجانب العلوي من العينة من مساحة المسام. لهذا الغرض، تم طلاء العينات بطبقة رقيقة من المعجون الحراري (حوالي 80 ميكرومتر) (الرسم التخطيطي في الشكل 5). ومع ذلك، يؤثر الطلاء على حساب الانتشار الحراري للخشب بسبب زيادة سمك العينة بأكملها وكذلك المواد المختلفة. لتقدير تأثير الطلاء، أُجريت قياسات مرجعية بمواد ذات موصلية حرارية مماثلة؛ ويمكن قياسها مع الطلاء وبدونه. يوضح الشكل 6 الانتشار الحراري المقاس للباكليت الأسود. وفيما يتعلق بالسمك المقاس للعينة، يؤدي الطلاء إلى انتشار حراري أقل (المنحنى الأحمر في الشكل 6) مقارنةً بالعينة غير المطلية (المنحنى الأزرق) بسبب زيادة زمن الارتفاع. من خلال تصحيح سُمك العينة بالكامل، يمكن تقريب الانتشار الحراري الفعلي للمادة ويمكن اعتبار الانحراف الطفيف مصطلحًا آخر في عدم اليقين في القياس. يمكن أيضًا إجراء تصحيح السماكة مباشرةً باستخدام الوظيفة المدمجة في برنامج NETZSCH-Proteus^® LFA في هذه الحالة.

لا يتطلب قياس الانتشار الحراري للمواد المتحللة حراريًا وجود طلاء. ومع ذلك، نظرًا للطابع المسامي للخشب أو الفحم الخشبي، فإن نبضة الليزر - كما يتضح أيضًا من رغاوي الجرافيت - لم تعد تمتص بالكامل على السطح. من أجل أخذ امتصاص نبضة الليزر في بنية المسام في الاعتبار، يتم استخدام نموذج الاختراق الخاص ببرنامج NETZSCH Proteus^® LFA في حالة العينات المتحللة حراريًا. يوضح الشكل 7 إشارة القياس (باللون الأزرق) بمرور الوقت لعينة الفحم وتركيبها باستخدام نموذج الاختراق (باللون الأحمر).

شارك هذه المقالة: