В пределах околоземного пространства насчитывается приблизительно один миллион обломков, превышающих в размере один сантиметр. Учитывая постоянное увеличение числа космических аппаратов и телескопов, запускаемых для изучения космоса, эти фрагменты представляют собой ощутимую опасность из-за возможности высокоскоростных столкновений.

В журнале Journal of Applied PhysicsСпециалисты из Даляньского технологического университета, расположенного в Китае, представили разработали конструкцию, основанную на структуре яичной скорлупы, рассматривая её как перспективный материал для защиты космических аппаратов. Как отмечает автор исследования Юйсинь Ван: «В процессе эволюции природные биологические структуры продемонстрировали выдающиеся характеристики поглощения энергии благодаря длительному процессу адаптации».

Применение яичной скорлупы в качестве прототипа при создании прочного защитного материала может показаться парадоксальным. Тем не менее, группа исследователей обнаружили, возникает вопрос: если расположить алюминиевые яичные скорлупки, заполненные водой, в виде упорядоченной структуры, то приобретут ли они характеристики, присущие прочному материалу, при размещении тупым концом вниз между двумя ударными алюминиевыми пластинами? В этом случае энергия удара не будет сосредоточена на одной скорлупке, а постепенно распределится по всей структуре, что позволит каждой скорлупке последовательно разрушаться и деформироваться.

«Одиночная яичная скорлупа легко раскалывается под воздействием локальной силы, однако механизм защиты, обеспечиваемый массивом яичных скорлупок, принципиально отличается, — отмечает Ван. — Совместная деформация составляющих яичной скорлупы преобразует локальную ударную нагрузку в распределенное рассеивание энергии по всей структуре, что значительно повышает устойчивость к ударам».

Наличие воды внутри структуры также способствует ее защитным свойствам. При столкновении вода создает эффект плеска, который ослабляет распространение ударных волн, существенно уменьшая и рассеивая энергию удара. Для оценки эффективности различных конструкций специалисты провели серию трехмерных моделирований и симуляций, сравнив алюминиевые пластины, сферы из алюминия, заполненные водой и заключенные между пластинами, а также элементы, имитирующие форму яичной скорлупы.

Наилучшие результаты продемонстрировал материал, состоящий из «яичных скорлупок», наполненных водой. Он выдерживал значительные нагрузки и снижал скорость ударного снаряда почти на 65 %, в то время как алюминиевые пластины обеспечивали снижение скорости всего лишь на 51 %. При этом наиболее эффективными оказались вертикальные структуры, где яйца располагались тупым концом к верхней пластине.

Перед внедрением данного материала в качестве облегченной защиты для космических аппаратов требуется его дальнейшая оптимизация: необходимо уточнить геометрию конструкции и объем воды внутри нее, а также провести испытания на воздействие ударных нагрузок. В текущий момент исследователи работают над корректировкой параметров алюминиевых «яичных скорлупок», включая их толщину, соотношение сторон и взаимное расположение, с целью повышения эффективности поглощения энергии.

«Данная работа демонстрирует, что бионические, легкие метаструктуры представляют собой многообещающее направление в области защиты от сверхскоростных ударов, — заявил Ван. — Мы надеемся, что это исследование привлечет внимание к защитным структурам, созданным под влиянием биологических форм».