Seien wir ehrlich: Chang’e 5 hat sich vor allem dank Bienen auf dem Mond etabliert.

Am 24. November 2020 betrat die mit Spannung erwartete Chang'e-5 mit Hilfe der Trägerrakete Langer Marsch 5 den Weltraum, erreichte nach 112 Stunden die Mondumlaufbahn und landete schließlich sicher auf der Rückseite des Mondes. Diese Leistung eröffnete ein neues Kapitel in der Weltraumforschung meines Landes.

Wussten Sie? Beim Abstieg der Chang'e-5-Sonde auf die Mondoberfläche wird sie zwar durch den Rückwärtstriebwerksantrieb ihre Sinkgeschwindigkeit stark verringern, sie wird jedoch im Moment der Landung immer noch einer etwa viermal so hohen Gravitationsbeschleunigung standhalten wie die Erde. Das heißt, die Landehalterung muss eine Belastung aushalten, die dem vierfachen Gewicht der Sonde auf dem Boden entspricht. Sollte die Landehalterung im Moment der Landung brechen, weil sie der Überlastung nicht standhalten kann, würden die Chang'e-5-Sonde und viele der hochpräzisen wissenschaftlichen Forschungsgeräte, die sie trägt, wahrscheinlich beschädigt werden.

Daher ist es für die Ingenieure eine große Herausforderung, die Landehalterung so zu gestalten, dass sie höheren Überlastungen standhält und die Sonde vor Beschädigungen schützt.

Die Oberfläche des Mondes ist uneben, daher müssen bei der Konstruktion Faktoren wie die Landeposition der Sonde, die Landelage, die Massenverteilung, die Lage des Schwerpunkts, die Vibrationseigenschaften während der Landung und die Koordination der Mechanismusbewegung berücksichtigt werden. Da die Aufprallkraft im Moment der Landung zudem eine äußerst zerstörerische Energie über die Landehalterung auf die Sonde überträgt, muss die Landehalterung nicht nur hart und stabil sein, sondern auch die Fähigkeit besitzen, die Sonde abzupuffern und zu schützen, um die zerstörerische Energie effizient zu absorbieren.

Welches Material ist dieser schwierigen Aufgabe gewachsen? Nach einer umfassenden Prüfung entschieden sich die Ingenieure schließlich für ein Schutzmaterial namens „Wabenstruktur“ und installierten es als Füllmaterial im Inneren der hohlen Landehalterung der Chang'e-5-Sonde.

Hä, Wabenmaterial? Was hat das mit dem Bienenstock zu tun?

Das ist richtig, die Designinspiration für Wabenmaterialien stammt von echten Waben in der Natur!

Chang'e 5 verwendet eine aus der Natur abgeleitete Wabenpufferstruktur. Bildquelle: Selbst gemacht

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Wabenmaterial aus der Natur

Bienen sind erstaunlich soziale Insekten, deren Intelligenz oft mit der höherer Tiere vergleichbar ist. Die sechseckige Mosaikwabe, die wir häufig sehen, ist das einzigartige Geheimnis (das patentierbar ist), das die Bienenfamilie nach Millionen von Jahren der Evolution gemeistert hat.

Bienen sind wahre Handwerker der Natur. Bildquelle: theconversation

Ich glaube, jeder kennt den Aufbau eines Bienenstocks: Er besteht aus vielen Bienenstöcken, von denen einige zur Aufzucht junger Bienen dienen, andere zur Nektarlagerung … Gleichzeitig entspricht der Querschnitt jedes Bienenstocks fast einem Standard-Sechseck. Diese einzigartige Form ist so beeindruckend, dass die Menschen, sobald sie eine ähnliche Form sehen, an Bienen und ihre Behausungen denken. Daher wird diese ebene Struktur aus vielen Sechsecken oft auch als „Wabenstruktur“ bezeichnet.

Ingenieure und Künstler setzen Wabenmaterialien schon seit langem in verschiedenen Branchen ein. Sechseckige Wabenelemente finden wir in verschiedenen Gebäuden, Skulpturen, Gemälden und anderen Werken.

Architektur im Bienenstock-Stil, Bildquelle: archcollege

Kamerun gab eine Gedenkmünze im Wabenstil heraus. Bildquelle: Powercoin

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Wabenmaterial enthält mathematische Schönheit

Auch an Wabenstrukturen stoßen Wissenschaftler auf großes Interesse. Gelehrte wie Faro im antiken Rom und Päpste im antiken Griechenland haben Honigwaben untersucht. Sie gaben jedoch keine klare Erklärung dafür, warum jede Wabe sechseckig ist. Später schlugen Wissenschaftler eine „Waben-Vermutung“ vor, da sie glaubten, dass diese Wabenstruktur die beste Raumausnutzung bieten könnte. Doch diese Vermutung konnte lange Zeit nicht bestätigt werden.

Im Jahr 1999 bewies der Mathematiker Thomas Hales mit mathematischen Methoden die Wabenvermutung: Wird eine Ebene in viele gleich große Bereiche unterteilt, minimiert sich der erforderliche Linienumfang, wenn eine regelmäßige hexagonale Parkettierung verwendet wird. Mit anderen Worten: Bienen nutzen dieses Wabendesign aus dicht gepackten regelmäßigen Sechsecken, um mit möglichst wenig Material die Raumausnutzung zu maximieren. Es ist wirklich clever!

Mathematiker Thomas Hales, Bildquelle: Wikipedia

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Wabenmaterial bietet hohe Schutzwirkung

Der Grund, warum Wabenmaterial mit Chang'e 5 auf dem Mond landen konnte, liegt darin, dass es auch im Bereich der Dämpfung und des Schutzes einen großen Anwendungswert hat.

Platzieren wir das Wabenmaterial zwischen zwei sehr dünne Massivplatten und verkleben diese fest miteinander, entsteht eine mehrschichtige Verbundplatte, die sogenannte „Waben-Sandwichplatte“. Dieses Sandwichpaneel sieht dick aus und der poröse Wabenkern nimmt den größten Teil des Volumens ein, seine Masse ist jedoch sehr gering. Gleichzeitig weisen Wabensandwichplatten auch eine hohe Biegefestigkeit und Pufferschutzeigenschaften auf, sodass sie sich sehr gut für den Einsatz in Flugzeugen, Raketen, Satelliten und anderen Geräten eignen, bei denen sehr hohe Anforderungen an Gewicht, Tragfähigkeit und Schutzeigenschaften gestellt werden. Im Jahr 1915 verwendete der Ingenieur Hugo Junkers erstmals Waben-Sandwichplatten in der Strukturkonstruktion von Flugzeugen und läutete damit die Ära der Wabenmaterialien ein, die in die Lüfte stiegen.

Waben-Sandwichplatte, Bildquelle: siehe Wasserzeichen (bei Rechtsverletzung kontaktieren Sie uns bitte zur Löschung)

Wie schützen Wabenmaterialien die Heckausrüstung in gefährlichen Umgebungen wie Explosionen und Hochgeschwindigkeitskollisionen? Wir können dies durch ein einfaches Kompressionsfehlerexperiment beobachten.

Wabenmaterialien werden auch als zweidimensionale Materialien bezeichnet, da sie durch Strecken der hexagonalen Mosaikstruktur in der zweidimensionalen Ebene in vertikaler Richtung erhalten werden können. Es lässt sich feststellen, dass die Zerstörungsart des Wabenmaterials unterschiedlich sein muss, wenn es in verschiedene Richtungen zusammengedrückt wird. Um das Druckversagen von Wabenmaterialien in verschiedenen Druckrichtungen zu untersuchen, definieren Wissenschaftler im Allgemeinen die X- und Y-Richtungen in der zweidimensionalen Ebene als Richtungen innerhalb der Ebene und die Zugrichtung (Z-Richtung) als Richtung außerhalb der Ebene.

Richtungsdefinition von Wabenmaterialien, Bildquelle: Homemade

Die folgende Abbildung zeigt den Out-of-Plane-Kompressionstest von Wabenmaterialien. Darüber befindet sich ein starrer Druckkopf und darunter einige wichtige Geräte. Seine Aufgabe besteht darin, die hintere Ausrüstung so weit wie möglich zu schützen, wenn der Druckkopf nach unten drückt.

Nach dem Start des Kompressionstests beginnt sich der Druckkopf langsam nach unten zu bewegen und überträgt den Druck durch das Wabenmaterial nach hinten. Gemäß dem dritten Newtonschen Gesetz und der Kraftgleichgewichtsbedingung ist der Druck, der durch den Druckkopf auf das Wabenmaterial ausgeübt wird, gleich dem Druck, den das Wabenmaterial auf die hintere Ausrüstung ausübt. Wenn der Druck die Tragfähigkeitsgrenze der Heckausrüstung überschreitet, kann es zu Schäden an der Ausrüstung kommen.

Kompressionsexperiment in der Out-of-Plane-Richtung, Bildquelle: selbst gemacht

Mit fortschreitender Kompression steigt der Druck zwischen Druckkopf und Wabenmaterial tatsächlich schnell an und scheint bald die Toleranzgrenze der dahinter liegenden Ausrüstung zu überschreiten. Doch an diesem Punkt gab das Wabenmaterial dem enormen Druck vorzeitig nach und seine Seitenwände begannen sich zu verbiegen und zu falten. Dieses Phänomen der Seitenwandverformung tritt zunächst nur in einem lokalen Bereich auf und dehnt sich dann auf einen größeren Bereich aus, wenn der Druckkopf weiter nach unten drückt.

Das Gesetz der Druckänderung, Bildquelle: selbst gemacht

Lokales Biege- und Faltphänomen von Wabenmaterialien. Bildquelle: Referenz [2]

Jedes Mal, wenn ein solcher lokaler Biege- oder Faltfehler an der Seitenwand auftritt, entsteht ein winziger Spalt zwischen dem Wabenmaterial und der Drucksäule, ähnlich wie bei einem Boxerschlag in der Luft, wodurch der Druck sofort abfällt. Der Druck steigt erst weiter an, wenn die Druckhöhe das Wabenmaterial weiter komprimiert.

Während des gesamten Kompressionsvorgangs ist aufgrund starker Biegungen und Faltungen der Seitenwände ein weiterer Druckanstieg nicht möglich und der Druck schwankt stets um einen konstanten Wert. Erst wenn das Wabenmaterial vollständig zu einer Pfannkuchenform verdichtet ist, steigt der Druck weiter schnell an und stellt eine Gefahr für die dahinter liegende Ausrüstung dar.

Das Obige ist der Fall einer Kompression außerhalb der Ebene. Wenn das Wabenmaterial einer Kompression in der Ebene ausgesetzt wird, sind die Biege- und Faltungsregeln seiner Seitenwände zwar unterschiedlich, die Änderungsregel der Druckkurve ist jedoch immer noch ähnlich und es weist auch einen relativ offensichtlichen Plattformbereich auf. Bevor der Druckkopf das Wabenmaterial nicht vollständig verdichtet, kann der Druck keinen wirksamen Durchbruch erzielen und stellt somit natürlich auch keine Gefährdung des dahinterliegenden Schutzobjektes dar.

Beim In-Plane-Druckversuch von Wabenmaterialien ist zu erkennen, dass sich auch die Seitenwände verbiegen und falten. Bildquelle: Referenz [3]

Kurz gesagt, Wabenmaterial ist ein selbstaufopferndes Material. Es wandelt zerstörerische Energie von außen in seine eigene innere Energie um, indem es eine drastische, vernichtende Zerstörung erfährt und so die Sicherheit seiner Partner hinter sich gewährleistet. Aus diesem Grund haben die Ingenieure Wabenmaterialien als Füllmaterial in die Landehalterung von Chang'e 5 eingebaut. Es stellte sich heraus, dass das Wabenmaterial seine Aufgabe tatsächlich erfolgreich erfüllt hat.

Wissenschaftler haben auch innovative Designs für die Grundkonfigurationen von Wabenmaterialien entwickelt, von den üblichen Dreiecken, Rechtecken und Sechsecken bis hin zu den ungewöhnlichen konkaven Sechsecken und Kagome-Typen. Diese Materialien werden zusammenfassend als Wabenmaterialien bezeichnet und jedes verfügt über viele einzigartige mechanische Eigenschaften. Diese wunderbare Idee, gut im Lernen zu sein und den Mut zu haben, Durchbrüche und Innovationen zu erzielen, kann wahrlich als „Der Schüler übertrifft den Meister“ beschrieben werden!

Verschiedene neue Wabenmaterialien, Bildquelle: hausgemacht

Quellen:

1. Hales TC. Die Honeycomb-Vermutung[J]. Diskrete und Computergeometrie, 2001.

2. Qiao Jisen, Kong Haiyong, Miao Hongli, Li Ming. Mechanische Reaktion von Sandwichplatten-Verbundwerkstoffen aus einer Wabenstruktur aus Aluminiumlegierung mit Gradienten [J]. Journal of Plasticity Engineering, 2021, 28(03): 183-189.

3. Lorna J. Gibson, Michael F. Ashby; Liu Peisheng, Übersetzer. Struktur und Eigenschaften poröser Festkörper, 2. Auflage [M]. Peking: Tsinghua University Press, 11.12.2003.

ENDE

Tadpole Musical Notation Originalartikel, bitte geben Sie beim Nachdruck die Quelle an

Herausgeber/Mein Nachbar Totoro