Metallschaum für Weltraumkonstrukte

Aus Wikipedia:

Ein Metallschaum ist eine zellulare Struktur, die aus einem festen Metall, häufig Aluminium, sowie einem großen Volumenanteil gasgefüllter Poren besteht. Die Poren können verschlossen sein (geschlossenzelliger Schaum) oder ein zusammenhängendes Netzwerk bilden (offenzelliger Schaum). Das bestimmende Merkmal von Metallschäumen ist eine sehr hohe Porosität: Typischerweise bestehen 75–95 % des Volumens aus Hohlräumen, die diese ultraleichten Materialien ausmachen. Die Festigkeit von geschäumtem Metall besitzt eine Potenzgesetzbeziehung zu seiner Dichte; dh ein 20 % dichtes Material ist mehr als doppelt so stark wie ein 10 % dichtes Material.

Metallschäume behalten typischerweise einige physikalische Eigenschaften ihres Grundmaterials bei. Aus nicht brennbarem Metall hergestellter Schaum bleibt nicht brennbar und der Schaum ist im Allgemeinen wieder zu seinem Grundmaterial recycelbar. Der Wärmeausdehnungskoeffizient bleibt ebenfalls ähnlich, während die Wärmeleitfähigkeit wahrscheinlich verringert wird.[1]

Dies weist darauf hin, dass Metallschaum in Ihrer Struktur verwendet werden könnte, aber es wären verschiedene Strafen zu zahlen. Die erste und offensichtlichste ist die Potenzgesetzbeziehung zwischen Dichte und Stärke. Während geschäumtes Metall erstaunlich leicht sein wird, ist es nicht erstaunlich stark. Rotierende Strukturen wie eine Weltraumkolonie stehen unter großer Spannung, daher sollten geschäumte Metalle keine Strukturelemente sein, oder zumindest nicht, es sei denn, sie werden von einem Netzwerk aus Kabeln oder Netzen unterstützt, um Spannungsfestigkeit zu bieten.

Das andere Problem im Weltraum ist, dass die Umgebung hochgradig radioaktiv ist, sodass Sie eine solide Masse von "Zeug" benötigen, um die einfallende kosmische und Sonnenstrahlung zu blockieren. The Millennial Project: Colonizing the Galaxy in Eight Easy Steps von Marshall T. Savage (mein Buch für solche Dinge, sehr zu empfehlen) besagt, dass Sie 5 Meter Wasser oder eine entsprechende Menge Beton oder Regolith benötigen würden, um Strahlung zu halten Ebenen innerhalb der Kolonie auf Erdebene. Offen gesagt, ein Metallschaum wird nicht annähernd die Bremskraft eines ähnlich großen Stücks massiven Metalls haben. Sie könnten den Metallschaum als Matrix für eine Art Verbundmaterial verwenden, wobei die Poren des Metallschaums etwas anderes halten, um einfallende Strahlung zu absorbieren, aber dies beeinträchtigt die leichte Eigenschaft von Metallschaum.

Metallschäume könnten nicht tragende Elemente sein, wie Wandpaneele, mit guten thermischen und akustischen Isolationseigenschaften und sehr leicht und einfach zu verarbeiten, aber für die Hauptstrukturelemente nicht so sehr.

Metallschäume haben in manchen Fällen einen Vorteil. Wenn Sie die Widerstandsfähigkeit gegenüber Biege- oder Torsionsbelastungen erhöhen möchten, ist die größere Dicke (bei gleicher Metallmasse) ein großer Vorteil.

Es gibt wahrscheinlich einige Komponenten in einer Raumstation, die von Metallschaum profitieren würden. Die meisten Bauteile müssen jedoch keiner Verdrehung oder Biegung standhalten und müssen in erster Linie Dehnungs- oder Druckbelastungen aushalten, wofür geschäumte Materialien etwas schlechter sind als herkömmliche Materialien. Ein auf Knicken beanspruchter Balken auf Druck ist ein Beispiel für eine Biegebelastung, die für geschäumte Werkstoffe sinnvoll wäre.

Geschäumter Stahl ist heute wirklich nicht im Handel erhältlich, könnte aber in der Schwerelosigkeit einfacher herzustellen sein.

Eine Minderheit der Komponenten würde also von geschäumtem Stahl profitieren. Aber die Mehrheit würde es eindeutig nicht tun.

Wenn Sie Masse von der Erde heben, um Ihre Station zu bauen, gibt es wirklich keinen Grund, geschäumten Stahl zu verwenden. Einige Verbundstoffe haben eine bessere Festigkeit und es gäbe auch andere Vorteile. Strahlenschutz wäre einer dieser Vorteile. Duroplaste sind oft sehr bequem im Vergleich zu dem, was geschäumter Stahl erfordern würde, obwohl sie nicht so stark sind.

Wenn Sie Stahl in großen Mengen aus Asteroiden usw. herstellen, wird der geschäumte Stahl viel attraktiver, da wir im Weltraum noch kein Öl gefunden haben und dies auch nicht in absehbarer Zeit erwarten.

Nun zur gestellten Frage. Könnten Sie Ihr Orbital aus geschäumtem Stahl herstellen? Ja, ich glaube, das könntest du. Ich habe keine Daten für die tatsächliche Festigkeit von geschäumtem Stahl (nicht wirklich auf dem Markt), aber basierend auf dem, was ich in der Werkstofftechnik gelernt habe, würde ich vermuten, dass es aus zwei Gründen schwächer als Standardstahlkomponenten ist. 1) Es wäre schwierig, den Abschreckprozess in geschäumtem Stahl zu kontrollieren, um die bestmögliche Festigkeit zu erhalten. 2) Risse neigen dazu, sich in Materialien in der Nähe von scharfen Biegungen im Material zu bilden – die scharfen Ecken haben Bereiche mit höherer Spannung. Da geschäumter Stahl nichts als scharfe Ecken wäre, würde ich erwarten, dass er schneller versagt als gleichwertiger Massenstahl.

IIRC, der Stanford-Torus wurde mit einem normalen Sicherheitsspielraum berechnet, selbst wenn der Radius auf 4 km erweitert wurde (etwas mehr als das Doppelte). Angesichts dessen würde ich davon ausgehen, dass selbst die reduzierte Festigkeit von geschäumtem Stahl die Konstruktionssicherheit nicht beeinträchtigen würde. Aber ohne tatsächliche Stärkedaten ist dies nur eine bestmögliche Vermutung.

Geschäumtes Aluminium ist wahrscheinlich die bessere Wahl, da es pro Masseneinheit stärker ist und wir geschäumtes Aluminium heute tatsächlich mit angemessener Leichtigkeit herstellen können. Wenn Sie jedoch möchten, dass Ihre Station länger als ein paar Jahre hält, ist es wieder Stahl. Aluminium hat die sehr unangenehme Angewohnheit, nach einer Reihe von Expansions- und Kontraktionszyklen auseinanderzufallen. Stahl tut dies je nach Legierung nicht. Solange die Verformung im Stahl unter einer bestimmten Schwelle liegt, kann man ihn millionenfach belasten, ohne Risse zu bilden und zu brechen. Egal wie klein die Verformung ist, Aluminium wird bei genügend Belastungszyklen immer Risse bilden und brechen. Im Weltraum wird es immer einen Stresszyklus geben, der sich aus dem thermischen Zyklus ergibt, der in einer erdnahen Umlaufbahn bis zu 90 Minuten dauern kann.