Gốm tổng hợp giúp làm vỏ máy bay có tốc độ gấp 5 lần vận tốc âm thanh, chịu nhiệt lên đến 3.000 độ C

Công cuộc phát triển một loại vật liệu gốm có thể chịu đựng được sức nóng cực độ sẽ xóa bỏ một trong nhiều rào cản ngăn chúng ta có thể du hành với vận tốc gấp 5 lần âm thanh (supersonic - siêu thanh, vượt vận tốc âm thanh là Mach 1 ở mốc 1.235 km/h; hypersonic, thứ đang được nói tới nhanh gấp 5 lần âm thanh là Mach 5, tiếng Việt ta cần một từ diễn tả hypersonic nhưng chưa có, tạm thời tôi sẽ dùng cụm hypersonic trong bài).

Nói một cách đơn giản, khi mà phương tiện được bọc vật liệu mới này có thể chịu đựng được nhiệt độ lớn gây ra bởi lực ma sát lớn, phương tiện ấy sẽ an toàn hơn nhiều. Và hơn nữa, với tính chất chịu đựng được nhiệt độ lên tới 3.000 độ C, ta có thể sử dụng loại vật liệu nói trên vào vô vàn lĩnh vực khác nữa: quân đội, du hành vũ trụ, việc di chuyển nói chung, ...

Động cơ Pegasus đưa chiếc X-43 - phi cơ hypersonic thử nghiệm NASA - lướt trong không trung.

Đó là kết quả đạt được của các nhà nghiên cứu tới từ Đại học Manchester kết hợp với các nhà khoa học tại Đại học Trung Nam. Vật liệu mới mà họ tạo ra giải quyết định hai vấn đề lớn nhất mà một thứ gặp phải khi tiếp xúc với nhiệt độ cao, đó là sự hao mòn và sự oxy hóa.

Khi bạn đưa bất kì một kim loại nào ra tiếp xúc với nhiệt độ đủ lớn, phân tử bên trong nó sẽ rung lên và rơi dần ra, và nhất là khi chạy ở tốc độ cao. Đó là sự hao mòn. Khi kim loại tiếp xúc với oxy, nó sẽ gây ra phản ứng và thay đổi cấu trúc của phân tử, đó là sự oxy hóa.

Để một phương tiện có thể phóng trong không trung với tốc độ hypersonic, bề mặt của nó sẽ phải chịu đựng một nhiệt độ cực lớn: có thể lên tới 3.000 độ C khi phương tiện đạt tốc độ hypersonic khoảng 6.174 km/h cho tới 12.348 km/h. Với tốc độ trên, người ta sẽ đi từ London tới New York chỉ trong 2 tiếng đồng hồ tính cả thời gian ngồi chờ và làm thủ tục, hiện tại chuyến bay này có thời gian trên không là gần 8 tiếng.

Nó sẽ cách mạng hóa cách người ta di chuyển, khi và chỉ khi nó có thật. Nhiều nhà nghiên cứu lạc quan cho rằng ta sẽ đạt được giới hạn này trong vòng thập kỷ tới.

Tàu hypersonic thử nghiệm NASA X-43 của NASA với vận tốc Mach 7.

Tuy nhiên, trở ngại về nhiệt độ chỉ là một trong nhiều vấn đề mà việc đi lại bằng vận tốc hypersonic gặp phải. Hiện nay, câu trả lời cho vấn đề nhiệt độ là một loại vật liệu gốm chịu nhiệt độ cực cao UHTC – một thứ vật liệu không phải kim loại có thể ổn định được ở nhiệt độ trên 2.000 độ C. Một trong những vật liệu UHTC thường được dùng để bọc đầu khoan, các phần nóng của động cơ và bọc trên các phương tiện siêu thanh là zirconium carbide (ZrC).

Một ứng cử viên sáng giá khác để bọc lên phương tiện chạy với vận tốc cao là zirconium diboride (ZrB2), không chỉ có khả năng chống oxy hóa tại nhiệt độ 1.500 độ C mà còn có độ đặc thấp và giá thành khá rẻ. Tuy nhiên, nguyên tố Bo trong ZrBo2 lại rất dễ bị bào mòn khi các nguyên tử Bo bị oxy hóa. Nếu như một mảnh vật chất này bị bong ra, toàn bộ cấu trúc sẽ gặp nguy hiểm.

Trong nghiên cứu mới này, các nhà khoa học tìm ra một thứ vật liệu đầy hứa hẹn hơn, dưới dạng một loại gốm cacbua (có thêm thành phần carbon cho rắn chắc), có thể chống chịu được nhiệt lượng kinh hoàng mà vận tốc hypersonic gây nên.

“Những vật chất UHTC hiện tại để sử dụng trong các môi trường cực đoan rất ít và rất đáng để bỏ công sức đầu tư nghiên cứu, tìm ra một loại gốm tiềm năng khác với khả năng chống chịu sự ăn mòn và việc oxy hóa”, chỉ đạo nghiên cứu Ping Xiao từ Đại học Manchester cho hay.

Liệu thế hệ sau này có được ngồi trên những chiếc phi cơ hypersonic?

Vật liệu mới này được làm từ zircon, titan, carbon và bo, được tổng hợp thành một hợp chất carbon bằng một phương pháp chế tạo riêng biệt. Nó vừa có tính chất của một vật liệu gốm chống chịu nhiệt độ cao, lại vừa có hàm lượng bo thấp để giảm thiểu khả năng bị bào mòn, trong khi đó cấu trúc carbon lại tránh được việc vật liệu sẽ shock nhiệt, vỡ tan tàn hành nhiều mảnh.

Tuy nhiên, ta chưa mơ tới được một cái máy bay hypersonic để đi từ Hà Nội vào thành phố Hồ Chí Minh một cách nhanh chóng đâu. Có lẽ vật liệu này sẽ được áp dụng vào lĩnh vực quân sự và các hệ thống thăm dò vũ trụ trước, ta sẽ còn phải đợi dài.

Nhưng cứ nhớ trong thâm tâm rằng, công nghệ này có thật, tồn tại và nếu ta không được hưởng nó, con cháu chúng ta sẽ được phóng trong không trung với vận tốc có thể lên cả chục ngàn kilomet trên giờ - du hành với vận tốc hypersonic là hoàn toàn khả thi.

Nghiên cứu này đã được đăng tải trên Nature.