الإيريديوم وتطبيقاته في مجال الفضاء الجوي: معدن البيئة القصوى

مقدمة

يُعد الإيريديوم من بين العناصر الأكثر روعة في العالم - فهو نادر ومرن وغير قابل للتدمير تقريبًا. ونظرًا لبريقه الأبيض الفضي اللامع وثباته الفيزيائي العالي، كان هذا المعدن موضع اهتمام العلماء والمهندسين لفترة طويلة. يظهر في الجدول الدوري بالرمز Ir والرقم الذري 77، وبالتالي يُصنَّف كأحد فلزات مجموعة البلاتين (PGMs) التي تتكون من البلاتين والروديوم والبلاديوم والأوزميوم والروثينيوم.

وعلى الرغم من أنه لا يمثل سوى 0.001 جزء في المليون من القشرة الأرضية، إلا أن مزيج الإيريديوم الخاص من الخصائص - درجة الانصهار ومقاومة التآكل والصلابة - يُستخدم في أكثر البيئات تطلباً حيث يتطلب الأمر وجود شيء ما يبقى على قيد الحياة بعيداً عن أي فرصة للتدهور، خاصة في تكنولوجيا الطيران.

خصائص الإيريديوم: معدن لا يمكن مقارنته

الخصائص الفيزيائية والكيميائية للإيريديوم لا مثيل لها تقريباً. وتبلغ درجة انصهاره 2,446 درجة مئوية ودرجة غليانه حوالي 4,500 درجة مئوية، وهو يُصنَّف من بين أكثر المعادن حرارية. وتحتل كثافته (22.56 جم/سم مكعب) المرتبة الثانية بعد الأوزميوم، وهو ما يمنحه كتلة قياسية لكل وحدة حجم وقوة.

من الناحية الكيميائية، الإيريديوم خامل للغاية. فهو يقاوم التآكل بواسطة الأحماض والأكسدة ومعظم المواد المسببة للتآكل حتى في درجات الحرارة المرتفعة. وعلى عكس معظم المعادن، فإنه لا يتلطخ في الغلاف الجوي أو يتفاعل بسهولة مع الأحماض أو الماء، وهو ما أكسبه لقب أحد أكثر المواد مقاومة للتآكل التي عرفها الإنسان.

ومن الناحية الميكانيكية، يكون الإيريديوم قاسياً وهشاً في شكله الأصلي، ولكن عندما يتم خلطه - خاصة مع الأوزميوم أو البلاتين - يمكن تشغيله بسهولة أكبر مع الحفاظ على متانته العالية. وتتميز هذه السبائك بمقاومة فائقة للتآكل وتحافظ على الخواص الميكانيكية في درجات الحرارة التي تتبخر أو تتشوه فيها معظم المعادن.

ولهذه الأسباب، غالبًا ما يُستخدم الإيريديوم عندما يجب أن تعمل المواد دون عيوب في ظل ظروف قاسية أو شديدة التفاعل، كما هو الحال في تطبيقات الفضاء الجوي في ظروف درجات الحرارة العالية وفي استكشاف الفضاء.

اقرأ المزيد: الإيريديوم: خصائص العنصر واستخداماته

سبائك الإيريديوم: تعزيز الأداء من خلال التآزر

الإيريديوم النقي مستقر للغاية، لكن هشاشته تجعله صعب التصنيع أو التصنيع. ويتم التغلب على هذه المشكلة من خلال خلطه مع معادن أخرى وتحقيق إمكاناته في مجموعة واسعة من الاستخدامات.

- سبائك الإيريديوم-البلاتينيوم:

تُستخدم عادةً في المزدوجات الحرارية الفضائية والصناعية، وتستخدم كأقطاب كهربائية وكوصلات استشعار درجة الحرارة في الظروف التي تزيد عن 1800 درجة مئوية. تعمل إضافة الإيريديوم على تعزيز مقاومة السبيكة للأكسدة وعمر الخدمة في الظروف القاسية.

- سبائك الإيريديوم والأوزميوم:

تُستخدم هذه السبائك، بسبب مقاومتها للتآكل والصلابة، في محاور الأدوات الدقيقة والمحامل والتلامسات الكهربائية المعرضة للإجهاد الميكانيكي المستمر.

- سبائك الإيريديوم والرينيوم (Ir-Re):

تجمع سبائك Ir-Re، وهي أهم سبائك الفضاء الجوي إلى حد بعيد، بين مقاومة الإيريديوم للحرارة وليونة الرينيوم. وما يتم إنتاجه هو معدن مقاوم لدرجات الحرارة التي تزيد عن 2000 درجة مئوية ويحافظ على الصلابة وكذلك مقاومة الزحف. وتكتسب هذه السبيكة أهمية خاصة في المحركات الصاروخية، وبالتحديد بطانات غرف الدفع والفوهات المعرضة لدرجات حرارة عالية وغازات العادم التفاعلية.

وعادةً ما يتم إنتاج سبائك الإيريديوم هذه عن طريق تعدين المساحيق أو ترسيب البخار الكيميائي لأن الإيريديوم له نقطة انصهار عالية ويصعب صبّه بالطريقة التقليدية.

تطبيقات الإيريديوم في الفضاء الجوي

الإيريديوم في هندسة الطيران غير مرئي في الغالب ولكن لا يمكن إهماله. إن ثباته الاستثنائي في الظروف الحرارية والكيميائية والميكانيكية القاسية هو السبب في أنه الأنسب للأجزاء التي لا يُسمح فيها بأي عطل.

1. محركات الصواريخ وأنظمة الدفع

ربما يكون أهم استخدام للإيريديوم في الفضاء الجوي هو في أجهزة محركات الصواريخ. تُستخدم سبيكة الإيريديوم في بطانة غرفة الدفع، والتي تتعرض مباشرة لغازات الاحتراق عند أكثر من 2000 درجة مئوية. ويوفر الإيريديوم حاجزاً للأكسدة والتآكل بواسطة العادم عالي السرعة.

ومن الاستخدامات المعروفة جيداً استخدام وكالة ناسا لسبائك الإيريديوم في المحركات الصاروخية ثنائية الوقود للبعثات في الفضاء السحيق. وقد استخدمت كل من المركبات الفضائية فوياجر وكاسيني ونيو هورايزونز غرف احتراق مبطنة بالإيريديوم لتوفير قوة دفع موثوقة طويلة الأمد في فراغ الفضاء. يجب أن تعمل هذه الأنواع من المحركات بشكل لا تشوبه شائبة عامًا بعد عام دون صيانة - وهو أمر لا يضمنه سوى عدد قليل جدًا من المواد غير الإيريديوم.

2. أنظمة طاقة الأقمار الصناعية والاتصالات

لا يقتصر استخدام الإيريديوم على الدفع. فالعنصر له وظيفة مهمة في كوكبة الأقمار الصناعية من الإيريديوم، وهي شبكة تضم أكثر من 60 قمراً صناعياً عاملاً مع اتصالات على مستوى العالم. على الرغم من أن الكوكبة نفسها سميت باسم العنصر بسبب الأقمار الصناعية الـ 77 المخطط لها في الأصل (المطابقة للعدد الذري للإيريديوم)، إلا أن الإيريديوم يستخدم في بعض مكونات الأقمار الصناعية أيضاً.

في الملامسات والموصلات، تظل طلاءات الإيريديوم مقاومة للأكسدة مع توفير توصيلية مستقرة في وجود الإشعاع والدورة الحرارية في الفضاء. ونفس المتانة التي تجعل الإيريديوم مناسباً لغرف المحركات تعمل بنفس القدر للحفاظ على السلامة الكهربائية في الإلكترونيات الفضائية.

3. المزدوجات الحرارية وأجهزة الاستشعار

في أنظمة المراقبة والاختبار في الفضاء الجوي، يعتبر قياس درجة الحرارة في غاية الأهمية. وتقيس المزدوجات الحرارية المصنوعة من الإيريديوم-البلاتينيوم-البلاتينيوم درجات الحرارة القصوى لفوهات الصواريخ والتوربينات ومركبات العودة. وتظل مستقرة ودقيقة عند درجة حرارة 2000 درجة مئوية، في حين أن معظم مواد الاستشعار قد تذوب أو تتدهور.

4. إعادة دخول المركبة الفضائية والطلاءات الواقية

يُستخدم الإيريديوم أيضاً في بعض الأحيان كطلاء وقائي على المكونات ذات درجة الحرارة العالية، خاصة في مركبات إعادة الدخول والمسابير المعرضة للاحتكاك الجوي. يمكن تشكيل طلاءات الإيريديوم الرقيقة والملتصقة ذات المقاومة المعززة للأكسدة والتآكل بشكل كبير من خلال عمليات ترسيب البخار الكيميائي (CVD).

ومن الأمثلة على ذلك دافعات التحكم في وضع الساتل المغلفة بالإيريديوم والمغلفة بالرينيوم والتي أثبتت عمر تشغيلي يتجاوز 10000 دورة إشعال - وهو ما يتجاوز بكثير أداء الطلاءات القياسية من النيكل أو البلاتين.

الخاتمة

يعتبر الإيريديوم في طليعة علوم المواد وهندسة الطيران. وبفضل مقاومته للحرارة والتآكل والتآكل والتآكل الميكانيكي التي لا مثيل لها، فهو معدن أساسي للدفع الفضائي وأجهزة الاستشعار وطلاء الدروع. من قلب محركات الصواريخ إلى دوائر الأقمار الصناعية، يعمل الإيريديوم على تغيير مستقبل الفضاء - في صمت وروعة وبلا انقطاع. لمزيد من المعلومات، يرجى مراجعة Stanford Advanced Materials (SAM).