Die Kraft, die am weitesten Meerestiefen zu erreichen

Nikhil Gupta ist Associate Professor und Steven Zeltmann ist ein Bachelor-Student Researcher in der Composite-Materialien und Mechanik Labor Maschinenbau und Aerospace Engineering-Abteilung der New York University, Polytechnic School of Engineering. Die Autoren dieses Artikels Leben Wissenschaft beigetragen Experten stimmen: Op-Ed & Einblicke.

Funksignale, die von der Flugschreiber von Malaysian Airlines Flug 370 ausstrahlt wurden können markierte den Beginn einer neuen Phase der Suche für das Flugzeug und seine Passagiere. Sobald Signale entstanden, erweiterte die Untersuchung um Erforschung des Meeresbodens zu erkennen das Flugzeug und die Block Box zu erholen.

Die Lage der Black Box wird voraussichtlich etwa 15.000 Fuß (4,6 km) unter der Meeresoberfläche. Der Druck in diesen tiefen im Ozean ist etwa 455 mal den Luftdruck auf Meereshöhe. Die Überreste der Titanic befinden sich in einer Tiefe von 12500 Fuß (3,8 km)-Tiefe, die Druck von ungefähr 380 hat atm. Die zusätzliche 2.500 Fuß erhöht sich der Druck von 75 atm. Darüber hinaus ist die Temperatur nur 34 bis 40 Grad Fahrenheit (1 bis 4 Grad Celsius) in solche tiefen.

Fahrzeuge für die Exploration in solche tiefen zu entwerfen, ist eine große Herausforderung. Die Tiefsee erforschen Fahrzeug sollte muss hell genug, um Auftrieb zu sein, jedoch stark genug, um hohen Druck standhalten, ohne implodiert.

Menschlichen betriebene Fahrzeuge (HOV) und remote betriebenen Fahrzeuge sind für ozeanografische Studien, Schatzsuche und Erholung und Rettungseinsätze gebaut worden. Ein berühmtes Beispiel für eine HOV ist das Handwerk, die für den bekannten Explorer gebaut wurde und Kinofilm des Regisseurs James Cameroon Solo Tauchen Sie ein in den tiefsten Teil des Ozeans, Mariana Trench. Die Struktur seines Fachs, wie die meisten ähnlichen Fahrzeugen setzte sich hauptsächlich aus ein neues Material namens "syntaktischer Schaum." [In der Tiefe: James Camerons Marianengraben Tauchen (Infografik)]

Polymerschäumen sind leichte, poröse Materialien bestehend aus gefüllten Luftporen in Polymer-Materialien. Aber ihr geringes Gewicht kommt mit zwei gravierende Nachteile: geringe Stärke und hohe Wasseraufnahme, beide höchst unerwünscht Tiefsee erkunden sind.

Nicht nur würde eine gewöhnliche Schaum durch den Druck der Tiefsee zerkleinert werden, Wasser leicht eindringen kann solche Schäume (wie in einem Schwamm) verursacht ein Handwerk zu sinken. Syntaktische Schäume machen kleine hohle Partikel verwenden, um Luft in einem Polymer zu zerstreuen und machen es zu einen leichten Schaum. Verwendung von hohle Partikel bietet den Vorteil, die Poren nicht miteinander verbinden. Auch wenn solche Schäume beschädigt sind, sie noch nicht absorbieren eine erhebliche Menge an Flüssigkeit, da sie Poren sind nicht miteinander verbunden. Die hohle Partikel sind in der Regel aus Glas und haben Durchmesser auf der Range von 4 zehn Tausendstel Zoll bis 4 Tausendstel Zoll (0,01 bis 0,1 Millimeter) – 1 bis 10 Mal den Durchmesser eines menschlichen Haares. Die Luft im Inneren der kleinen Glashülle umschließt, funktioniert der Trick machen das Material Leichtgewicht unter Beibehaltung es stark genug, um diesen hohen Druck zu widerstehen.

Die Struktur der syntaktischen Schaum kann in einem 3-d-Computermodell visualisiert werden. Forscher analysieren die Computermodelle mit modernen Techniken, wie z.B. finite-Elemente-Methoden der Kompositionen zu bestimmen, die am besten unter der hohen Druckkräfte begegnet in der Tiefsee Exploration passt. Einige vielversprechende Kompositionen sind dann gefertigt und experimentell getestet, um sicherzustellen, dass die syntaktischen Schäumen die Eigenschaften der Analysen vorgeschlagen haben.

Unter dem Elektronenmikroskop betrachtet, sieht das Material wie eine streng gesicherten Ansammlung von kleinen Kugeln. Da alle die Lufteinschlüsse die Poren sind umgeben von Glas, Wasser kann nicht in sie eindringen. Das heißt, das Material kann unter Wasser verwendet werden, für längere Zeiten ohne Abbau und Untergang. Die Zugabe von hohlen Partikel macht auch syntaktische Schäume thermisch stabil – sie schrumpfen nicht so viel wie Polymerschäumen wäre, wenn die Temperatur sinkt.

Forscher versuchen, kontinuierlich neue syntaktische Schäume zu entwickeln, die leichter und stärker für verbesserte Nutzlast. In unserem Labor entwickeln wir neue Methoden, um die Dichte, Festigkeit und thermischen Ausdehnungsverhalten von syntaktischen Schäumen anpassen. Solche Methoden können Schäume erzeugen, die hohen Leistung unter schwierigen Bedingungen der Tiefsee Exploration bieten. Entwicklung von Partikeln von hochfesten Keramiken wie Siliciumcarbid und Aluminiumoxid, anstatt Glas und Verstärkung von syntaktischen Schäumen mit Fasern kann helfen, ihre Leistung zu verbessern.

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