استخدام خيوط البازلت فائقة النعومة متعددة الطبقات وأقمشتها في استكشاف القمر

نُشرت ورقة بحثية بعنوان "خيوط البازلت الهرمية للمنسوجات الفضائية الواقية المريحة" في مجلة "ماتر" من قِبل فريق البروفيسور شيا تشيغانغ والأكاديمي شو ويلين من المختبر الوطني الرئيسي لمواد النسيج الجديدة والمعالجة المتقدمة بجامعة ووهان للنسيج، بالتعاون مع البروفيسور تاو غوانغمينغ. وقد اقترح هذا الفريق البحثي، المتخصص في مواد النسيج الجديدة والمعالجة المتقدمة، تقنية الغزل المحوري الحلزوني، التي تعالج تحديات الغزل والنسيج والتطبيق غير المتلف، ومنخفض العزم، وعالي الجودة، وعلى نطاق واسع لألياف البازلت على المستوى فائق الدقة. يفتح هذا الابتكار آفاقًا جديدة للمعالجة النسيجية واسعة النطاق، واللطيفة على البشرة، والمرنة، لمواد الألياف غير العضوية عالية الصلابة والهشاشة، مما يسمح بالإنتاج الضخم لتلبية الحاجة المُلحة لمواد واقية عالية الأداء قادرة على تحمل البيئات المعقدة والقاسية. الفضاء الجوي في هذا المجال، المؤلف الأول للورقة البحثية هو البروفيسور شيا تشيغانغ، والمؤلفان المراسلان هما الأكاديمي شو ويلين والبروفيسور تاو غوانغمينغ. وقد اختيرت الورقة لتكون مقالة غلاف إحدى المجلات العلمية.

تطبيق التسلسل الهرمي خيوط البازلت فائقة النعومة يُعدّ استخدام هذه الألياف في استكشاف القمر سيناريو بالغ الأهمية لهجرة البشر إلى الفضاء في المستقبل. يتميز هذا الخيط البازلتي فائق النعومة، ذو البنية الهرمية، بالمرونة والقوة العالية والثبات الممتاز، ويمكن نسجه في أقمشة ناعمة تقاوم بفعالية الإشعاع الشمسي القوي وتقلبات درجات الحرارة الشديدة في الفضاء. يُقدّم هذا البحث طريقة رائدة لتحويل ألياف البازلت غير العضوية الهشة إلى منسوجات فضائية عملية ومريحة وواقية.

في السنوات الأخيرة، ومع التطور السريع لاستكشاف الفضاء السحيق العالمي والفضاء التجاري، ازداد طلب الصناعة على خفيف الوزنوقد ازداد استخدام المواد المقاومة للبيئات القاسية بشكل حاد.ألياف البازلتيتميز البازلت، المستخرج من الصخور البركانية، بمزايا بارزة كالتكلفة المنخفضة، ومقاومة درجات الحرارة العالية، والعزل الحراري الفائق، ومقاومة الإشعاع، ومقاومة التآكل، وعدم قابليته للاشتعال وانعدام الدخان، مما يجعله خيارًا تنافسيًا في مجالات متعددة تشمل النقل بالسكك الحديدية، والحماية الخاصة، والهندسة المدنية. مع ذلك، فإن صلابته العالية ومعامل مرونته العالي يجعلان منه عرضةً للكسر الهش على المستوى فائق الدقة؛ كما أن عملية الغزل التقليدية ذات العزم العالي تُسبب تلفًا للألياف وانخفاضًا حادًا في قوتها، مما يجعل الحصول على خيوط عالية الجودة "غير مدمرة، ذات عزم منخفض، ومغطاة بالكامل، ولطيفة على البشرة، ومرنة" مشكلةً طويلة الأمد تُعيق دخول ألياف البازلت إلى صناعة النسيج.

الجدول الزمني لتطوير التكنولوجيا

لحل هذه المعضلة التقنية وتلبية احتياجات تطبيقات الحماية القصوى، تعاونت شركة محلية مع فريق البروفيسور شيا تشيغانغ في جامعة ووهان للنسيج. وقد عالجوا العملية الصناعية بأكملها، بدءًا من الغزل وصناعة الخيوط والنسيج وصولاً إلى الصباغة.

• 2019: أول اقتراح لتقنية التغليف غير المدمرة بالغزل.

• 2020: تم بنجاح تطوير أول منتج صديق للبشرة نسيج واقي حراري من ألياف البازلت.

• 2021: تم تحقيق تقنية سحب دقيقة ومتحكم بها لألياف البازلت فائقة النعومة المستخدمة في أقمشة الملابس.

• 2022: نجح المختبر في تصميم وتصنيع مواد عالية الجودة، ذات عزم دوران منخفض، وغير مدمرة، ومغطاة بالكامل، وذات نسبة عالية. خيوط دقيقة من ألياف البازلت.

• 2023: التشغيل المستقر لمجموعة العمليات والمعدات الصناعية الكاملة المناسبة للغزل غير المدمر والتغطية الكاملة لألياف البازلت.

• من عام 2023 وحتى الآن: التحسين والتطوير المستمر للعمليات والمعدات، وتلقي طلبات الإنتاج، وتطوير أقمشة واقية من ألياف البازلت عالية الجودة لسيناريوهات الحماية القصوى.

• 2024: تم بنجاح رفع العلم الوطني الصيني المصنوع من ألياف البازلت، والذي طورته جامعة ووهان للنسيج، على الجانب البعيد من القمر بواسطة مهمة تشانغ إي-6، مما زاد من الاهتمام وتوسيع نطاق استخدام أقمشة البازلت الواقية للغاية.

• 2025: تم تأسيس فريق ابتكار "عصر ألياف البازلت" بالتعاون بين شركة محركات الطيران الصينية "هانغيو لمعدات دعم الحياة المحدودة" وفريق الغزل التابع للأكاديمي شو ويلين في جامعة ووهان للنسيج. يكرس الفريق جهوده للبحث المعمق والترويج لتوسيع نطاق استخدام ألياف البازلت في صناعة الطيران والفضاء، بدءًا من المواد الخام وصولًا إلى المنتجات النسيجية، بما يخدم آفاق علوم الفضاء العالمية والاحتياجات الاستراتيجية الوطنية الرئيسية.

الابتكار والأداء

بقيادة الأساتذة شو ويلين، وشيا تشيغانغ، وتاو غوانغمينغ، إلى جانب طلاب الدراسات العليا مثل شانغ لولو، وشو آو، وتشانغ شيليانغ، واصل الفريق ابتكار وتطوير التقنيات الحالية. وقد كانوا روادًا في تقنية "الغزل الحلزوني المحوري"، متجاوزين ابتكارات تقنية ومعدات رئيسية مثل تشكيل الخيوط غير المتلفة ذات عزم الدوران المنخفض والتغطية المستقرة متعددة المستويات.

لقد حققوا إنتاجًا مستمرًا على نطاق صناعي لخيوط البازلت متعددة المستويات، المركبة العضوية وغير العضوية، والمرنة، والصديقة للبشرة (Metayarn).

• وقد زادت قوة خيوط الميتايارن المنتجة بنسبة 27.76% مقارنة بخيوط البازلت الأصلية.

• تم تقليل عزم الدوران المتبقي للخيوط بشكل كبير مقارنة بالخيوط التجارية الأخرى، مما يسمح بالحياكة المباشرة أو النسيج في منتجات Metayarn المرنة واللطيفة على البشرة.

في مواجهة بيئات الفضاء الجوي المعقدة والقاسية، تُظهر منتجات ميتايارن قدرة فائقة على التكيف مع البيئة واستقرارًا هيكليًا متميزًا:

• لم تتدهور قوة المنتج المرن، بل زادت.، بعد الشطف المستمر بالنيتروجين السائل عند درجة حرارة 200 درجة مئوية، والهواء الساخن عند درجة حرارة 300 درجة مئوية، والتعرض المطول للإشعاع الشمسي القوي.

• حافظت على سلامتها الهيكلية بعد أن تعرضت للحرق بواسطة لهب بلغت درجة حرارته 1300 درجة مئوية.

• تتميز منتجات ميتايارن المحبوكة باستطالة عند الكسر تصل إلى 421%.

• تحافظ هذه المنتجات على مقاومة ممتازة للهب والحريق حتى في درجات حرارة أقل من 30 درجة مئوية.%، وتحقيق الوظيفة المتكاملة المتمثلة في "الراحة والحماية".