Những phi thuyền có khả năng tái sử dụng sẽ giúp ngành hàng không vũ trụ nói chung và hoạt động khám phá vũ trụ nói riêng tiết kiệm nhiều chi phí hơn và có thể được phổ cập rộng rãi hơn – đó là lý do tại sao các cơ quan hàng không luôn tìm cách đẩy mạnh quá trình nghiên cứu và phát triển chúng. Tuy nhiên, những phi thuyền này thường xuyên phải tiếp xúc với nhiệt độ rất cao mỗi khi ra khỏi và trở lại bầu khí quyển Trái đất. Chế tạo ra được những loại vật liệu có thể chống chịu nhiệt độ như địa ngục đó là một nhu cầu thật sự cấp thiết.
Các nhà khoa học đến từ Đại học Khoa học và Công nghệ Quốc gia (NUST) ở Moscow (Nga) mới đây vừa chế tạo thành công một vật liệu giống gốm sứ, kháng nhiệt tốt hơn bất kỳ loại vật liệu nào khác.
Loại vật liệu trước đây từng nắm giữ danh hiệu “vật liệu kháng nhiệt nhất” được thử nghiệm vào năm 2016 bởi một nhóm nghiên cứu đến từ Đại học Hoàng gia London. Sử dụng kỹ thuật nung nóng bằng laser cho phép thử vật liệu ở những nhiệt độ rất cao, họ đã tính toán được rằng một hợp chất hóa học với thành phần từ hafnium – một kim loại chuyển tiếp, và carbon, có điểm nóng chảy cao nhất từng được ghi nhận từ trước đến nay. Phát hiện của họ cho thấy hafnium carbide nóng chảy ở khoảng 4.000 độ C.
Trước khi phát hiện ra điểm nóng chảy không tưởng của hafnium carbide, các nhà nghiên cứu tại Đại học Brown từng sử dụng kỹ thuật dựng mô hình máy tính và đưa ra dự đoán một vật liệu làm từ hafnium, carbon, và nitrogen sẽ có khả năng là vật liệu kháng nhiệt tốt nhất thế giới. Các kết quả giả lập của họ cho thấy loại vật liệu này sẽ nóng chảy ở hơn 4.100 độ C, tức gần 2/3 nhiệt độ của bề mặt Mặt trời.
Biết được những dự đoán của các nhà nghiên cứu tại Brown, các nhà khoa học NUST đã lên kế hoạch chế tạo hafnium carbonitride và tiến hành thử nghiệm nó để từ đó so sánh với hafnium carbide.
Để tạo ra được vật liệu mới, họ đã cho hafnium dạng bột và carbon tham gia vào một phản ứng va chạm năng lượng cao với những viên bi bên trong một máy xay hình trụ gọi là “cối xay bi”. Các cối xay bi thường được sử dụng trong quá trình sản xuất gốm sứ để nghiền vật liệu thành các hạt nhỏ đều nhau. Tiếp sau phản ứng xay bi năng lượng cao, các nhà khoa học đốt hỗn hợp các hạt hafnium và carbon thu được trong một khí quyển nitrogen.
Một tấm hafnium carbonitride.
Các mẫu hafnium carbide và hafnium carbonitride sau đó được đặt trên các tấm graphite để thử nghiệm trong một môi trường chân không. Khi bị nung nóng với một viên pin có các điện cực molybdenum, các nhà khoa học phát hiện ra rằng điểm nóng chảy của hafnium carbonitride cao hơn của hafnium carbide.
Bởi điểm nóng chảy của hafnium carbonitride là rất cao – hơn 4.000 độ C – người ta không thể đo đạc chính xác trong phòng thí nghiệm được. Các thử nghiệm trong tương lai sẽ sử dụng kỹ thuật laser để xác định con số chính xác, như thử nghiệm từng được thực hiện bởi Đại học Hoàng gia London để xác định điểm nóng chảy của hafnium carbide.
Khả năng chịu nhiệt của vật liệu, cũng như độ cứng cơ học của nó, biến vật liệu này thành một ứng viên hứa hẹn để sử dụng trong chế tạo nhiều phần của phi thuyền vũ trụ – những thứ thường xuyên tiếp xúc với môi trường nhiệt độ cao nhất trên hành tinh, như mũi tàu, động cơ đẩy, và cánh. Bên cạnh đó, các nhà nghiên cứu còn dự định thử nghiệm hafnium carbonitride trong các điều kiện siêu âm nữa.