Haben Metalle ein „Gedächtnis“?

Schauen wir uns zuerst eine Zaubershow an.

Der Zauberer legte einen geraden Löffel in 0 Grad Celsius warmes Wasser und bog ihn dann. Dann hielt der Zauberer den Löffel in der Hand, blies dreimal geheimnisvoll in seine Hand, spreizte die Finger und ein Wunder geschah: Der Löffel wurde tatsächlich gerade!

Warum passiert das? Das Geheimnis liegt definitiv nicht in diesen drei Atemzügen. Wo ist es dann?

Es stellt sich heraus, dass der Löffel aus einem Metall mit „Memory“-Funktion besteht. Es „erinnert sich“ an seine ursprüngliche flache Form, und wenn es mit der Hand erwärmt wird und die Temperatur steigt, wird sein „Gedächtnis“ geweckt, sodass es beim Öffnen der Hand gerade wird.

Ha, Metall hat tatsächlich ein „Gedächtnis“!

Diese Metalle, die sich an ihre eigene Form „erinnern“ können, werden als Formgedächtnismetalle bezeichnet. Da sie aus zwei oder mehr Elementen bestehen, werden sie auch Formgedächtnislegierungen genannt.

Sie müssen die Geschichte von „Chang’e fliegt zum Mond“ gehört haben! Eine erfolgreiche Landung auf dem Mond war schon immer der Traum der Luft- und Raumfahrtarbeiter unseres Landes. Dank der wiederholten erfolgreichen Starts der Raumsonde Chang'e ist eine Landung auf der Mondoberfläche nicht länger nur ein Traum.

Das erfolgreiche Erreichen der Mondoberfläche ist jedoch nur der erste Schritt. Wir müssen auch die „Spezialität“ des Mondes – den Mondboden – „verpacken“ und zur Erde zurückbringen, was für die Forschung der Wissenschaftler sehr wichtig ist.

Doch wie können wir die gesammelten „lokalen Spezialitäten“ des Mondes ohne manuelle Eingriffe in Säcke füllen, verpacken und versiegeln, damit sie nicht herausfallen?

Wissenschaftler haben Formgedächtnislegierungen entwickelt. Sie formten aus dem Draht aus einer Formgedächtnislegierung eine drehungsartige Dichtung, bog diese zu einem Kreis und nähte sie vor dem Start von Chang'e 5 an die Öffnung des Stoffbeutels mit Monderde und stülpten den Stoffbeutel anschließend über die Außenseite der Metallröhre zum Auffangen der Monderde.

Nachdem mit dem Bohren und Sammeln begonnen wurde, zieht das automatische Gerät den Stoffbeutel langsam durch das Zugseil an der Oberseite des Beutels in die Metallröhre, und der gesammelte Mondboden gelangt ebenfalls langsam in den Stoffbeutel im Inneren der Röhre. Wenn die Sammelmission abgeschlossen ist, werden alle Stoffbeutel an der Außenseite der Metallröhre umgedreht und in die Röhre gelegt. Zu diesem Zeitpunkt nimmt der an der Beutelöffnung angenähte Memory-Legierungsverschluss unter den Mondtemperaturbedingungen automatisch seine runde Form wieder an und verschließt die Beutelöffnung dicht. Das Verpacken ist abgeschlossen!

Schließlich kehrte das „Paket“ sicher mit der Rückkehrkapsel zur Erde zurück.

Am 17. Dezember 2020 kehrte die Mondsonde Chang'e-5 mit Mondbodenproben an Bord zur Erde zurück und schloss damit die erste unbemannte Mondprobenmission meines Landes erfolgreich ab. Formgedächtnislegierungen spielten bei der Erfüllung dieser Mission eine Rolle.

Es scheint einfach und reibungslos, aber tatsächlich steckt es vom Überlegen bis zur Umsetzung voller Wendungen und Herausforderungen. Eines der größten Probleme, die es zu lösen gilt, ist die genaue Temperaturregelung.

Auf dem Mond ist die Temperatur tagsüber sehr hoch und sinkt nachts sehr stark ab. Der Temperaturunterschied zwischen Tag und Nacht beträgt über 300 Grad Celsius, was einen großen Unterschied zur Erde darstellt! In diesem Fall können herkömmliche Formgedächtnislegierungen ihre Fähigkeiten schlicht nicht ausspielen. Was soll ich tun?

Das Forschungsteam für Formgedächtnislegierungen der Universität für Luft- und Raumfahrt in Peking ist entschlossen, diese Schwierigkeit zu überwinden. Sie fanden heraus, dass das Hinzufügen einiger „Materialien“, d. h. anderer Legierungselemente, zu gewöhnlichen Formgedächtnislegierungen und die Verbesserung der Verarbeitungsmethode von Legierungsdrähten zu einer „Aufwertung“ der Formgedächtnislegierungen beitragen kann!

Doch welches konkrete Legierungselement sollte hinzugefügt werden und wie viel sollte hinzugefügt werden? Dies ist keine Sache, die man aus einer Laune heraus entscheiden kann. Um die genaue Antwort zu finden, führten sie wiederholt Experimente durch und verbesserten die Formel. Schließlich erhielten sie eine Formgedächtnislegierung, die den Anforderungen der Mondumgebung gerecht wurde, und verarbeiteten sie zu einem Versiegelungsmittel. Anschließend führte das Personal der Luft- und Raumfahrttechnik wiederholte Tests in verschiedenen komplexen Umgebungen durch, wählte schließlich zwei Versiegeler für die Durchführung der Weltraummission aus und schloss die Mondbodensammlung erfolgreich ab.

Die weitverbreitete Anwendung von Formgedächtnislegierungen in der heutigen Luft- und Raumfahrt ist untrennbar mit dem stillen Engagement führender Wissenschaftler verbunden. Der Akademiker Zhao Liancheng war einer der Menschen, die schon sehr früh erkannten, dass dies eine wichtige Rolle bei der Entwicklung der Luft- und Raumfahrtindustrie meines Landes spielen würde.

In diesem Jahr verließ Zhao Liancheng, der gerade sein Universitätsstudium abgeschlossen hatte, aufgrund der Bedürfnisse des Landes entschlossen Shanghai und kam in die „Eisstadt“ Harbin, wo er seine Erkundung der „Welt der Materialien“ begann.

Bei seinen Forschungen entdeckte er, dass bestimmte Metalle über besondere „Talente“ verfügen, die dem Gedächtnis ähneln. Ha, wie interessant!

Welche Metalle haben ein solches „Talent“? Wie können wir ein so mächtiges „Talent“ sinnvoll nutzen?

Da er auf diese Fragen keine Antworten finden konnte und über keine Vorerfahrungen verfügte, konsultierte er eifrig in- und ausländische Informationen und kombinierte diese mit einer Vielzahl komplexer Experimente. Abschließend gelangte er zu dem Schluss, dass sich Gedächtnislegierungen, die in technischen Anwendungen eingesetzt werden können, grundsätzlich auf den Bereich der Gedächtnislegierungen auf Nickel-Titan-Basis beschränken lassen. Diese Schlussfolgerung hat die Forschung zu Gedächtnislegierungen in meinem Land auf eine neue Ebene gebracht.

Als nächstes folgt die Anwendung einer Memory-Legierung. Hierzu zählen beispielsweise Hydraulikrohrverbindungen für die Luftfahrt.

Diese Rohrverbindung ist ein wichtiges Bauteil, das die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Flugzeugs beeinflusst. Früher bestanden Rohrverbindungen im Wesentlichen aus gewöhnlichem Metall mit Muttern und Schrauben, die zusammengeschraubt wurden. Bei Vibrationen und Stößen würden sie sich leicht lösen, was zu Lecks in Öl- und Gaspipelines und Fehlfunktionen in Flugzeugen führen würde. Wenn bei dieser Art von Rohrverbindungen eine Memory-Legierung zum Einsatz kommt, lässt sich deren Leistung erheblich verbessern und die Ausfallrate des Flugzeugs deutlich senken.

Um sicherzustellen, dass die Speicherlegierung während ihres Einsatzes in der Luft- und Raumfahrt narrensicher ist, testet Zhao Liancheng nicht nur jedes von ihm entwickelte Speicherlegierungsgerät wiederholt, sondern muss manchmal auch verschiedene interdisziplinäre und bereichsübergreifende Probleme lösen.

Die Suche nach einem geeigneten Tieftemperaturschmiermittel war damals ein großes Problem. Dieses Schmiermittel kann dazu beitragen, dass die Rohrverbindung aus Memory-Legierung bei niedrigen Temperaturen eine „Durchmesserausdehnung“ erreicht, d. h. die Rohrverbindung ohne Rissbildung ausdehnt, sodass sie auf die entsprechende Rohrleitung aufgesetzt werden kann.

Aber es wurde nicht gefunden.

Neugier ist wirklich ein wesentliches Element für den Erfolg eines Wissenschaftlers! Gerade als sie mit ihrem Latein am Ende waren, erhielt Zhao Lianchengs Team einen Brief aus dem Ausland.

Beim Öffnen des Briefes stellten sie fest, dass sich der Umschlag etwas Besonderes und ungewöhnlich glatt anfühlte. Gibt es spezielle Materialien? Da sie Schwierigkeiten hatten, ein Schmiermittel zu finden, nahmen sie schnell Umschläge, um einen Schmiertest bei niedrigen Temperaturen durchzuführen, und sahen überraschenderweise einen Hoffnungsschimmer: Mit diesem Schmiermittel aus Umschlagpapier konnte der Durchmesser der Rohrverbindung erfolgreich erweitert werden!

Auf diese Weise entwickelte das wissenschaftliche Forschungsteam unter der Leitung von Akademiemitglied Zhao Liancheng erfolgreich ein Gerät aus Formgedächtnislegierungen nach dem anderen, die erfolgreich in mehr als 10 Raumfahrzeugen eingesetzt wurden, darunter in der Raumsonde Shenzhou IV und dem Satelliten Shijian V unseres Landes.

Heutzutage werden Formgedächtnislegierungen nicht nur in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt, sondern sind auch in herkömmlichen kieferorthopädischen Drähten und Brillengestellen zu finden.

Kommilitonen, seid ihr schon einmal auf ein schwieriges Problem gestoßen, das ihr im Moment nicht lösen konntet? Lassen Sie sich nicht entmutigen. Solange Sie mehr beobachten und mehr nachdenken, werden Sie sicherlich das Licht am Ende des Tunnels sehen.

Quelle: Chongqing Industrie-Universität-Forschungszusammenarbeit Förderungsvereinigung

Autor: Pan Fusheng, Mitglied der Chinesischen Akademie für Ingenieurwissenschaften, Professor der Universität Chongqing, Vorsitzender der Chongqing Association for Science and Technology

Rezensionsexperte: Mao Yi, Chefexperte der Chongqing Science Communication Expert Group, Professor am Chongqing Electronic Engineering Vocational College

Bildquellen: Photo Network, CCTV News, Palastmuseum, Jiangxi Provincial Museum, Shanghai Museum, Shanxi Museum

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