Nu de (militaire) luchtvaart steeds snellere vliegtuigen bouwt, is er behoefte aan lichte materialen die als hitteschild dienen. Onderzoekers in de VS bedachten een composiet met koolstof nanobuisjes erin. Uit proeven blijkt dat het materiaal én bestand is tegen hitte én minder snel barst dan de keramieken die nu vaak worden gebruikt.

Lucht is voor snelle vliegtuigen zowel een vereiste als een vloek. Een vereiste, want de lucht is nodig om de vleugels de vereiste opwaartse kracht te geven. En een vloek, omdat de luchtdeeltjes die op het toestel botsen zorgen voor wrijving en de opwarming van onderdelen.

Daarom hebben raketten en supersonische vliegtuigen vaak speciale materialen op de plekken die heet worden tijdens een vlucht. Een heel bekende is de Space Shuttle, waarvan de onderkant helemaal was bekleedmet keramische tegeltjes. Die moesten het ruimteveer beschermen tegen hitte bij zijn terugkeer in de dampkring van de aarde.
 

Hypersonische vliegtuigen

De eisen aan de materialen voor hitteschilden worden steeds hoger met de opkomst van hypersonische vliegtuigen en raketten. Die vliegen namelijk met snelheden tot wel vijf keer de geluidssnelheid, ofwel Mach 5.

Een vliegtuig moet zo’n hitteschild echter wel met zich meeslepen; elke gram extra massa is er één te veel. Daarom ontwikkelden materiaalwetenschappers van Florida State University een geheel nieuw materiaal.
 

Nanobuisjes

Om dit zeer hittebestendige materiaal te fabriceren, gingen ze uit van nanobuisjes van koolstof. Een zo’n buisje bestaat uit vele zeshoeken die op regelmatige manier aan elkaar vast zitten, met op elke hoek een koolstofatoom. Uit die buisjes kun je het bijzondere materiaal “buckypaper” maken, dat verwijst naar de term buckyball, een bijzondere structuur van koolstof in de vorm van een voetbal (genoemd naar de Amerikaanse architect en uitvinder Buckminster Fuller). Dat geleidt warmte en elektrische stroom heel goed.
 

Tekening van een koolstof nanobuisje. De rode bolletjes op de hoekpunten van de zeshoeken stellen koolstofatomen voor. Illustratie IBM Research / CC BY-ND 2.0

 

Buigzaam

Om de mechanische eigenschappen van dit ‘papier’ nog te verbeteren, voegden de onderzoekers er een hars aan toe. Nu hadden ze een lichtgewicht, buigzaam materiaal dat onderdelen van een raket of vliegtuig kan beschermen tegen de intense hitte waarmee ze tijdens het vliegen te maken krijgen.

Dat is winst, want bestaande hitteschilden zijn vaak relatief dik in vergelijking met de structuur die ze moeten beschermen, zegt Ayou Hao van Florida State University in een persbericht.
 

Vlam

De wetenschappers hebben hun nieuwe materiaal ook getest. Daartoe brachten ze het beschermende materiaal aan op een laag koolstof. Ze richtten een vlam op het hitteschild en keken wat er gebeurde. Het oppervlak van het hitteschild-materiaal bereikte hierbij een temperatuur van 1.900 graden Celsius.

Uit deze proef bleek dat het nieuwe materiaal beter tegen hitte beschermt dan bestaande materialen waarmee de onderzoekers het vergeleken. Ook bleef het nieuwe hitteschild intact; na de proef was het buckypaper nog steeds stevig en buigzaam.

Die flexibiliteit is belangrijk, want die zorgt ervoor dat het materiaal niet snel barst onder verhitting. Tegelijk is het materiaal niet zo zwaar, een eigenschap waar vliegtuigbouwers blij van zullen worden. Zij zouden het liefste elke gram materiaal die niet bijdraagt aan de vliegeigenschappen weglaten.
 

Goedkeuring

Het zal nog wel even duren alvorens dit experimentele materiaal terug te vinden is in vliegtuigen. De weg naar goedkeuring is in de luchtvaart een lange.

Meer details over het hittebestendige en lichte materiaal zijn te lezen in een wetenschappelijk artikel in het tijdschrift Carbon, editie november.
 

Openingsfoto Hoogleraar Zhiyong Liang (links) en onderzoeker Ayou Hao laten proefstukken zien van hun lichtgewicht hittebestendige materiaal op basis van koolstof nanobuisjes. Foto © 2019 FAMU-FSU College of Engineering