سبائك Ti-Al الثورية – تغيير قواعد اللعبة في استكشاف الفضاء

الفضاء شاسع، إلى درجة يصعب حتى تخيل ذلك. فقط الكون المرصود يبلغ قطره على الأقل 93 مليار سنة ضوئية. 

على الرغم من ذلك، نستمر في دفع حدود استكشاف الفضاء، ومع ذلك تظهر الابتكارات باستمرار. 

في أحد أحدث التقدمات، أنشأ الباحثون سبيكة فائقة المرونة مبتكرة. هذه السبيكة القائمة على التيتانيوم‑الألمنيوم (Ti‑Al) فائقة المرونة خفيفة الوزن وقوية، وتوفر قدرة فريدة تسمح لها بالعمل عبر نطاق واسع من درجات الحرارة.

وفقًا للدراسة المنشورة في Nature¹، يمكن للسبيكة فائقة المرونة تحمل درجات حرارة تصل إلى +127°C وانخفاضها إلى -269°C، مما يبرز إمكاناتها الكبيرة في مجموعة متنوعة من التطبيقات، بما في ذلك التكنولوجيا الطبية واستكشاف الفضاء العميق.

“هذه السبيكة هي الأولى من نوعها التي تحافظ على الفائقة المرونة في مثل هذا النطاق المتطرف من درجات الحرارة مع الحفاظ على خفتها وقوتها، مما يفتح مجموعة من التطبيقات العملية التي لم تكن ممكنة من قبل.”

– شينغ شو، أستاذ مساعد في معهد أبحاث الحدود للعلوم المتعددة التخصصات بجامعة توهوكو

أشار شو إلى أن هذه الخصائص للمادة الجديدة تجعل السبيكة مثالية للبعثات الفضائية المستقبلية مثل “إنشاء إطارات فائقة المرونة للمركبات القمرية لتتنقل عبر تقلبات درجات الحرارة الشديدة على سطح القمر”.

إن مرونة السبيكة القائمة على Ti‑Al في درجات الحرارة المنخفضة للغاية، على وجه الخصوص، تجعلها مادة واعدة لتطبيقات في المجتمع الهيدروجيني القادم وكذلك في صناعات أخرى. بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام المادة في التطبيقات اليومية التي تتطلب مرونة، مثل الأجهزة الطبية مثل الدعامات.

وبالتالي، تغير السبيكة الجديدة قواعد اللعبة عبر العديد من الصناعات من خلال التغلب على القيود التي تواجه معظم سبائك الذاكرة الشكلية (SMAs). هذه المواد، القادرة على العودة إلى شكلها الأصلي بعد إزالة القوة، توفر القوة والمتانة ولكن لها نطاقات حرارة محددة.

على عكسها، تمتلك السبيكة الجديدة القائمة على Ti‑Al نطاق تشغيل حراري واسع يتجاوز نقطة غليان الماء وحتى درجة حرارة الهيليوم السائل.

بهذه الطريقة، توفر السبيكة قابلية تطبيق واسعة في المجالات التي تتطلب مواد ذات قوة استثنائية ومرونة.

من أجل ذلك، استخدم فريق البحث في جامعة توهوكو، اليابان، تقنيات متقدمة مثل تصميم السبائك العقلاني والتحكم الدقيق في البنية الدقيقة. كما استخدموا مخططات الطور لاختيار مكونات السبيكة ونسبها. من خلال تحسين طرق المعالجة والمعالجة الحرارية، حقق الباحثون الخصائص المطلوبة للمادة.

“هذا الاكتشاف لا يضع معيارًا جديدًا للمواد فائقة المرونة فحسب، بل يقدم مبادئ جديدة لتصميم المواد، مما سيلهم بلا شك مزيدًا من الابتكارات في علم المواد.”

– قال شو مع الإشارة إلى تبعات الدراسة التي تتجاوز التطبيقات العملية الفورية

التغلب على القيود

توجد السبائك منذ العصور القديمة، واستخدامها الآن يُرى عبر معظم جوانب الحياة الحديثة.

إنها ببساطة مزيج من معدنين أو معدن وعناصر غير معدنية أخرى. خلط معدنين يمنح السبائك خصائص غير متوقعة، مثل قوة أكبر من المعادن الفردية التي تتكوّن منها.

هذا بسبب أن كل مادة داخل السبيكة تضيف خصائصها الخاصة إلى الخليط. من خلال الكيمياء الدقيقة تُخلق نسب دقيقة لإنتاج مواد بخصائص فريدة.

بينما قد لا تختلف الخصائص الفيزيائية للسبائك، مثل الكثافة والموصلية، كثيرًا عن العناصر التي صُنعت منها، فإن خصائصها الهندسية، مثل القوة، تجعل سبائك المعادن مطلوبة بشدة في مجموعة متنوعة من الصناعات، بما في ذلك الإلكترونيات، التصنيع، الفضاء الجوي، والسيارات.

مثال شائع على سبيكة هو الفولاذ، الذي يُصنع بخلط عنصر معدني، الحديد، مع كمية صغيرة من عنصر غير معدني، الكربون. انخفاض تكلفة الفولاذ وارتفاع مقاومته للشد يجعله واسع الاستخدام في البنية التحتية والبناء.

مثال آخر شائع هو النحاس الأصفر، وهو سبيكة من معدنين — النحاس والزنك. انخفاض نقطة انصهاره ومتانته العالية تجعله شائعًا في تطبيقات مثل المحامل، الأقفال، أجزاء الأجهزة، ومكونات الذخائر. لذا، فإن السبائك مفيدة حقًا ولها تطبيقات واسعة. 

الآن، المواد المعدنية التي لديها القدرة على تشوه مرن كبير دون أن تتكسر أو تتأثر باللدونة ضرورية جدًا للتطبيقات الواقعية التي تتطلب تحمل الضغط. يمكن لهذه المواد أيضًا فتح الطريق لتعديلات متعلقة بالإجهاد في الخصائص الكيميائية أو الفيزيائية.

لكن بالطبع، معظم المواد المعدنية لا تستطيع تحمل سوى تشوهات مرنة صغيرة، أقل من 0.5٪. 

هنا تظهر سبائك الذاكرة الشكلية مثل Ni‑Ti كحل من خلال إظهار تشوهات قابلة للاسترداد تصل إلى حوالي 10٪ بفضل تحولات الطور القابلة للعكس، وهو ما يُعرف بالفائقة المرونة. هذه الفائقة المرونة تمكن أنظمة سبائك معينة مثل Cu‑Al‑Ni من إظهار تشوهات قابلة للاسترداد أكبر، فوق 17٪.

من بين سبائك الذاكرة الشكلية (SMAs)، تقدم السبائك القائمة على التيتانيوم مزيجًا قويًا من المرونة الميكانيكية، مقاومة التآكل، وتكلفة معقولة، مما يجعلها واعدة لتطبيقات متعددة.

بينما تم تطوير سبائك الذاكرة الشكلية القائمة على التيتانيوم عادةً بإضافة كميات كبيرة من عناصر أثقل مثل الزركونيوم (Zr) أو النيوبيوم (Nb) لتثبيت الطور بيتا في درجة حرارة الغرفة، فإن ذلك يضر بخفتها بينما تكون الفائقة المرونة لديها منخفضة بالفعل، أقل من 3٪.

لتجاوز هذه القيود، تم دمج عنصر أخف، الألمنيوم، مع التيتانيوم لتحقيق توازن بين الوزن الخفيف والخصائص الميكانيكية القوية. هنا، تم إنشاء سبائك Ti‑6Al‑4V في المقام الأول كمواد هيكلية خفيفة، وأحيانًا لتطبيقات درجات حرارة عالية. ومع ذلك، لا تظهر هذه السبائك خصائص فائقة المرونة.

لذلك، فحص فريق البحث بدقة مخطط الطور الثنائي Ti‑Al، وبناءً على ذلك، اتبعوا إرشادات حرارية لدخول أقل من 5 at% من الكروم إلى مصفوفة Ti‑Al. ثم ثبّتوا طور بيتا في درجة حرارة الغرفة عبر تبريد سريع من درجات حرارة عالية. 

ونتيجة لذلك، تمكن الباحثون من تصنيع سبيكة Ti‑Al جديدة ذات خصائص قوية لتغيرات الحرارة.

إمكانات هائلة في استكشاف الفضاء 

التطبيقات المتقدمة مثل الفضاء الجوي واستكشاف الفضاء تتطلب موادًا توازن بين الخفة والوظيفة ومقاومة تقلبات الحرارة الشديدة. بينما تُظهر سبائك الذاكرة الشكلية (SMAs) إمكانات عالية بفضل متانتها وصلابتها واستعادة التشوه الكبيرة نتيجة الفائقة المرونة، فإن الحفاظ على وزنها المنخفض وتشغيلها بفعالية في درجات حرارة منخفضة جدًا يمثل تحديًا.

لذلك، قدم الفريق السبيكة الجديدة Ti‑Al‑Cr التي تتبع معايير صارمة. تتكون أساسًا من Ti و A، وتتمتع بكثافة منخفضة (4.36 × 10³ kg m−3) وقوة نوعية عالية (185 × 10³ Pa m3 لكل كغ) عند درجة حرارة الغرفة مع إظهار فائقة مرونة قوية. 

في الواقع، تسمح لها الفائقة المرونة بتحمل تشوه قابل للاسترداد يتجاوز 7٪، ويستمر عبر نطاق واسع من درجات الحرارة — من 4.2 K المتجمدة إلى ما فوق درجة حرارة الغرفة — مما يجعلها واعدة لكل من الأجهزة اليومية والظروف البيئية القاسية.

على عكس معظم سبائك الذاكرة الشكلية التي تُظهر الفائقة المرونة عند درجة حرارة الغرفة تقريبًا، لا تخضع السبيكة الجديدة لتحول مارتنسيتي حراري حتى بعد تبريد كبير.

عند استكشاف فائقة المرونة عند درجات حرارة مختلفة، وجد الفريق أن سبيكة Ti‑Al‑Cr تُظهر استردادًا فائقًا كاملًا عبر نطاق 4.2 إلى 400 K. 

أشارت الدراسة إلى أن سبيكة الذاكرة الشكلية Ti‑Al‑Cr الجديدة، التي تنتمي إلى عائلة سبائك Ti القوية، الخفيفة، المقاومة للتآكل، والمتوافقة حيويًا، تحمل وعدًا للعديد من التطبيقات بفضل فائقة المرونة عبر نطاق واسع من درجات الحرارة. 

على سبيل المثال، في المهام بين الكواكب مثل أرتميس I، التي كانت أول مهمة غير مأهولة للولايات المتحدة إلى القمر منذ برنامج أبولو، يمكن استخدام السبيكة الجديدة لإنشاء مواد معدنية تتحمل الظروف القاسية للفضاء مع الحفاظ على أدائها، وهو قيد تكنولوجي رئيسي. 

بينما صمم علماء ناسا إطارات فائقة المرونة من Ni‑Ti للمهام القمرية والمريخية القادمة كحل، فإنها أيضًا تواجه قيودًا في نطاقات درجات الحرارة التشغيلية. 

الأمر هو أن هذه المهام تحتاج إلى مركبات سطحية قادرة على استكشاف كوكبي طويل المدى، وهو ما يتطلب نهجًا مختلفًا عن المركبات الأرضية التي تستخدم إطارات مطاطية هوائية تقليدية.

هذا يعني أن الإطارات يجب أن تتحمل تقلبات درجات الحرارة الشديدة على القمر، التي تتراوح من −173 °C إلى 127 °C. بالإضافة إلى الحرارة، يجب أن تتحمل أيضًا الإشعاع الشمسي المكثف وخطر التفريغ الكارثي. 

لذا، دمجت إطارات الفائقة المرونة سبيكة نيتينول الذاكرة الشكلية في التصميم لمعالجة قيود تصميم الإطار الأصلي لمهمة أبولو، الذي كان يعاني من متانة محدودة بسبب نطاق التشوه المرن الصغير للمعادن التقليدية. ومع ذلك، فإن سبيكة النيتينول التجارية الناجحة لديها نافذة حرارة فائقة مرنة محدودة تقل عن 80 °C.

هنا، قال شو: “السبيكة الجديدة تحمل وعدًا كبيرًا لصنع إطارات فائقة المرونة من الجيل التالي”، مشيرًا إلى إمكاناتها الصلبة للاستكشافات العميقة في الفضاء والبحار. 

بالإضافة إلى ذلك، يمكن أيضًا استخدام المادة الجديدة لتطبيقات أكثر أمانًا وكفاءة في استهلاك الطاقة وكذلك التطبيقات الطبية.

ليس فقط أن المادة الخفيفة تأتي بقدرة كبيرة على الارتداد عبر درجات حرارة واسعة، بل كما أشار الفريق، فإن عنصري Al و Cr وفيرانًا ومتوافران وتكلفتهما أقل من Ni و Nb. قد يؤدي التركيب الأبسط للسبيكة الجديدة إلى تقليل الأثر البيئي أثناء التعدين واستخراج المعادن وإنتاجها على نطاق واسع، حسبما أضاف الباحثون.

ذكر البحث:

“مع العديد من التطبيقات المحتملة، بالإضافة إلى القدرة على الإنتاج الضخم باستخدام عمليات التصنيع المعدنية القائمة المطورة لـ Ti‑64، تفتح سبيكة الذاكرة الشكلية الخفيفة والقوية Ti‑Al‑Cr آفاقًا جديدة لتقدم دراسة واستخدام المواد الخفيفة متعددة الوظائف.”

الابتكار داخل المجال

ATI Inc

الآن، إذا نظرنا إلى شركة قابلة للاستثمار ذات صلة، فإن ATI (NYSE: ATI) هي الاسم الأكثر بروزًا الذي يحقق الكثير من التقدم هنا. الشركة تعالج أصعب تحديات العالم من خلال علم المواد

ATI هي منتج للمواد والمكونات عالية الأداء للأسواق الدفاعية والفضائية العالمية وكذلك للإلكترونيات، الطب، وقطاعات الطاقة المتخصصة. بفضل موادها، تستطيع الشركات إنشاء منتجات تطير أعلى وأسرع، وتثبت أقوى، وتدوم أطول، وتحترق بحرارة أعلى، وتغوص أعمق.

في قطاع الفضاء الجوي، تزود ATI سبائكها بمجموعة كاملة من منتجات المليمتر، والطرق، وصب التيتانيوم، والمكونات المشغولة. بالإضافة إلى التيتانيوم، تشمل منتجاتها ومكوناتها النيبيوم، الفولاذ غير القابل للصدأ والفولاذ المتخصص، والسبائك الفائقة المسحوقية.

قطاع الدفاع، الذي يخدم دوائر الدفاع الحكومية، ومقاولي الدفاع، والمصنعين، يمتلك موادًا متخصصة تشمل سبائك التيتانيوم للدروع، التطبيقات ذات القوة العالية ودرجات الحرارة المرتفعة. تشمل المواد الأخرى سبائك النيكل، التنجستن، الزركونيوم، الهافنيوم، والنيبيوم، إلى جانب الفولاذ عالي الصلابة، مزدوج الصلابة العالي، الفولاذ الفائق الصلابة، والفولاذ المقاوم للصدأ.

كما توفر ATI موادها ومكوناتها للقطاع الطبي، وسوق الإلكترونيات الاستهلاكية المتنامية، ومزودي الطاقة، بما في ذلك الطاقة الشمسية، النووية، الفحم، النفط والغاز، والصناعات الكيميائية ومعالجة الهيدروكربونات (CPI/HPI).

برأس مال سوقي يبلغ 8.22 مليار دولار، تُتداول أسهم ATI عند 58.36 دولارًا في وقت كتابة هذا، بارتفاع 5.63٪ منذ بداية العام. وفقًا لـ CNBC، لديها ربحية السهم (TTM) قدرها 2.55، نسبة السعر إلى الأرباح (TTM) 22.66، وعائد على حقوق الملكية (TTM) 22.82٪.

عند النظر إلى البيانات المالية للشركة، في أحدث ربع لها، الربع الرابع من 2024، سجلت مبيعات بقيمة 1.2 مليار دولار، بزيادة 10٪ عن الربع الرابع من 2023. شكلت قطاعات الفضاء الجوي والدفاع نسبة ضخمة تبلغ 65٪ من ذلك. 

ساهمت مبيعات الفضاء الجوي والدفاع للمنتجات التجارية للجيل التالي من محركات الطائرات وإطارات الطائرات في زيادة مبيعات HPMC بمقدار 81.8 مليون دولار. ينتج قطاع المواد عالية الأداء والمكونات (HPMC) مجموعة واسعة من المواد، بما في ذلك سبائك النيكل، سبائك الكوبالت، سبائك التيتانيوم، التيتانيوم، السبائك الفائقة، سبائك مسحوقية متقدمة، وغيرها من المواد المتخصصة.

في الوقت نفسه، ارتفعت مبيعات قطاع AA&S بمقدار 39.7 مليون دولار في الربع، مدفوعة ليس فقط بارتفاع مبيعات التطبيقات الدفاعية ومنتجات محركات الطائرات التجارية للجيل التالي، بل أيضًا بالنمو في أسواق الطاقة المتخصصة والطب. ينتج قطاع السبائك المتقدمة والحلول (AA&S) سبائك النيكل، سبائك التيتانيوم والسبائك القائمة على التيتانيوم، والسبائك المتخصصة.

وفقًا للمديرة التنفيذية كيمبرلي أ. فيلدز، التي تتوقع استمرار الطلب القوي هذا العام:

“أظهرت نتائج الربع الرابع الأسس القوية لأعمالنا بينما كنا نلبي الطلب المتزايد من العملاء.”

ومن الجدير بالذكر أن مبيعات الشركة للعام الكامل بلغت 4.4 مليار دولار، وهو أعلى رقم مسجل خلال اثني عشر عامًا. في الوقت نفسه، بلغ التدفق النقدي التشغيلي 407 ملايين دولار، وكان التدفق النقدي الحر 248 مليون دولار، بزيادة 50٪ عن العام السابق.

فيما يتعلق بصافي الدخل خلال الربع، كان 137 مليون دولار أو 0.94 دولار للسهم. كان ربح السهم المعدل 0.79 دولار.

كما أعادت ATI شراء أسهم بقيمة 70 مليون دولار خلال هذه الفترة، وكان إجمالي تفويض إعادة شراء الأسهم، حتى 29 ديسمبر 2024، المتبقي ضمن برنامج إعادة شراء الأسهم المسموح به بقيمة 700 مليون دولار، 590 مليون دولار.

في نهاية العام، كان لدى الشركة 721 مليون دولار نقدًا، مع ملاحظة فيلدز:

“نظل ملتزمين بنشر رأس المال بكفاءة لاغتنام فرص النمو وإعادة العائد إلى مساهمينا.” 

في العام الماضي، سجلت الشركة إنفاقًا قدره 239 مليون دولار على النفقات الرأسمالية لتوسيع طاقتها وقدراتها مع تحقيق أكثر من 65 مليون دولار من عائدات نقدية من بيع الأصول غير الأساسية، والتي ستعيد ATI توجيهها كجزء من استراتيجية الاعتمادية وإزالة الاختناقات.

“نعتقد أن ATI في وضع جيد جدًا لتحقيق أداء قوي مستمر سيقود النمو والقيمة في 2025 وما بعده”، قال الرئيس التنفيذي مشيرًا إلى تركيز الشركة على “البقاء مرنًا” مع تطبيع سلاسل الإمداد وتطور عدم اليقين الجيوسياسي، بما في ذلك تغييرات سياسات التجارة العالمية. “مع طلب قوي جدًا في أسواقنا النهائية، نعتقد أننا في وضع لتقديم النمو وتوسيع الهوامش في 2025 وما بعده”، أضافت فيلدز.

وسط كل ذلك، احتفلت ATI بتكليف منشأة منتجات التصنيع الإضافي الخاصة بها الشهر الماضي. من خلال تشغيل قدراتها الكبيرة لتصنيع المعادن المضافة، وضعت الشركة التصميم، التشغيل الآلي، الطباعة، المعالجة الحرارية، وفحص الجودة جميعًا في مكان واحد.

هذا سيمكن ATI من إنتاج مكونات معقدة للغاية بسرعة أكبر ومع نفايات أقل. بفضل الجمع بين علم المواد والتصنيع الإضافي، ستتمكن الشركة أيضًا من تقديم إنتاج عالي الجودة على نطاق واسع. 

منحت شركة Bechtel Plant Machinery Inc. بالفعل ATI أول عقد لإنتاج في المنشأة الجديدة حلول أجزاء هندسية عالية لدعم برنامج الدفع النووي البحري للولايات المتحدة.

“من التصميم إلى المنتج النهائي، أنشأنا قوة تدفع عملائنا لمواجهة أصعب التحديات في الأسواق الأكثر طلبًا — الفضاء الجوي، الدفاع، والفضاء.”

– فيلدز

Latest on ATI Inc.

الخاتمة

استكشاف الفضاء هو المفتاح لفهم الكون وتحسين الحياة على الأرض. وبالتالي، هناك اهتمام متزايد من الوكالات الحكومية والشركات الخاصة.

هذا، إلى جانب استكشاف تخزين الغاز المسال من أجل الحياد الكربوني المستقبلي، خلق طلبًا عاجلًا على مواد هيكلية ووظيفية خفيفة الوزن يمكنها العمل تحت ظروف قصوى. 

لتلبية هذا الطلب، طور الباحثون سبيكة فائقة المرونة قائمة على التيتانيوم‑الألمنيوم تمثل تقدمًا كبيرًا في علم المواد.

محمّلة بخصائص قوية مثل القوة الاستثنائية والمرونة عبر درجات حرارة قصوى، تقدم هذه السبيكة الجديدة وعدًا كبيرًا للتطبيق في بيئات قاسية مثل الفضاء الجوي والطب. ومع ذلك، لا يزال هناك الكثير للقيام به بخصوص دمج السبيكة في المنتجات، وقد يستغرق ذلك ما بين 4 إلى 7 سنوات.​

ولكن مع استمرار البحث والتطوير، يمكن لهذه التقدمات في علم المواد وتكاملها اللاحق في التطبيقات العملية أن تساعد في دفع الابتكار عبر صناعات متعددة، ممهدة الطريق للتقدم التكنولوجي ومستقبل أفضل!

انقر هنا للحصول على قائمة بأفضل أسهم الفضاء الجوي والدفاع.