إيجور بلينكوف: “من أجل تحقيق إنجاز جديد في مجال الملاحة الفضائية، لا نحتاج إلى أفكار، بل إلى مواد جديدة”

الفضاء باعتباره ساحة اختبار للحد من حالات المواد كان رواد الفضاء تاريخياً أحد المحركات الرئيسية لتطور علم المواد. العديد من التقنيات التي اعتدنا عليها – على سبيل المثال، مستشعرات CMOS الموجودة في كاميرات الهواتف الذكية أو مرشحات المياه – تم إنشاؤها في الأصل لهذه الصناعة. في المجموع، تم تسجيل حوالي 2000 اختراع من هذا القبيل في العالم، والتي تستخدم اليوم على نطاق واسع في الزراعة والإنتاج الصناعي والرعاية الصحية وتكنولوجيا المعلومات. عند تحديد المتطلبات من المواد، من الضروري مراعاة شروط استخدامها في الفضاء الخارجي، اعتمادًا على نوع المدارات وعمر الخدمة والتغيرات المحتملة في خصائص المواد تحت تأثير البيئة والإشعاع. عند الدخول إلى مدار أرضي منخفض، تواجه المركبات الأكسجين الذري، الذي يتأكسد ويدمر طبقات البوليمر. بعد ذلك، يتم إضافة التعرض للإشعاع، مما يؤدي إلى عيوب في البنية البلورية. في الغلاف الجوي للأرض، يمكن أن تتجاوز درجة الحرارة على سطح السفن والأقمار الصناعية 1500-2000 درجة مئوية. وهذا هو، تتأثر الطائرات في وقت واحد بالعديد من المعلمات المتطرفة، والتي تتم دراستها عادة بشكل منفصل في المختبرات. يعزز الفراغ التبخر وتفريغ الغازات، في حين أن الإشعاع وأحمال درجة الحرارة الدورية تدمر البنية الدقيقة للمواد. علاوة على ذلك، فإن المشكلة الرئيسية هنا ليست مجرد التدهور، بل فقدان القدرة على التنبؤ بسلوك المواد. يمكن للمادة أن تتصرف بشكل مستقر في المختبر وتغير خصائصها بشكل كبير في الفضاء بسبب عدد من العوامل التي يصعب تكرارها في وقت واحد على الأرض، حتى لفترة قصيرة. التركيز على السطح: الانتقال من السبائك إلى الأنظمة الهندسية الوظيفية المواد الحديثة المخصصة للفضاء عبارة عن أنظمة هرمية معقدة. ويحقق العلماء خصائص جديدة ليس من خلال تعديل التركيبة، ولكن من خلال تصميم الهندسة المعمارية على المستوى الذري بدقة لم تكن متوفرة قبل بضعة عقود فقط. تحدد الخصائص العيانية العناصر الهيكلية للمادة على مقياس النانو – الحبوب والحبوب الفرعية. على سبيل المثال، من خلال تقليل حجم الحبيبات إلى النطاق النانوي، من الممكن زيادة القوة ومقاومة التشقق في نفس الوقت، ومن خلال التحكم في توزيع الطور، من الممكن إبطاء الأكسدة في درجات الحرارة القصوى. في الواقع، نحن نتحدث عن “ضبط” المادة من الداخل، عندما يتم تحديد سلوكها ليس فقط من خلال تركيبها الكيميائي، ولكن أيضًا من خلال التكوين الدقيق لبنيتها. هذه هي الطريقة التي يتم بها اليوم إنشاء السيراميك عالي الحرارة ومركبات الكربون القادرة على العمل في درجات حرارة عالية جدًا. كما يتم تصميم المواد المستخدمة في أنظمة الطيران بشكل متزايد باستخدام مبدأ متعدد الطبقات. توفر الركيزة الأساسية قوة ميكانيكية، وتعمل الطبقات الانتقالية على تخفيف الضغوط الحرارية والاختلافات في الخصائص، كما تحمي الطبقات الوظيفية العليا من الإشعاع والأكسدة والتآكل. ونتيجة لذلك، يمكن تحسين المادة الأساسية من حيث القوة والوزن، ويمكن جلب الوظائف الحيوية إلى السطح. فئة واعدة من الطلاءات المقاومة للحرارة والمقاومة للاهتراء هي مواد غير متبلورة تعتمد على البوريدات ومبيدات السيليكات. الاتجاهات في المواد المستخدمة في الفضاء: الطباعة ثلاثية الأبعاد والتوائم الرقمية في الوقت الحالي، تعمل التقنيات المضافة على تغيير المنطق الهندسي في سياق تطور تقنيات الفضاء. نحن لا نتحدث فقط عن القدرة على إنشاء أجزاء من الأشكال المعقدة التي لا يمكن الحصول عليها بالطرق التقليدية، ولكن أيضًا عن نقل الإنتاج نفسه خارج الكوكب، لأنه في ظروف الجاذبية الصغرى تحدث تحولات الطور والانتشار بشكل مختلف؛ فحتى المواد المدروسة جيدًا يمكن أن تظهر سلوكًا جديدًا. من ناحية، يفتح هذا إمكانية الحصول على الهياكل التي لا يمكن الوصول إليها في ظل الظروف الأرضية؛ ومن ناحية أخرى، فإنه يزيد بشكل حاد من متطلبات القدرة على التنبؤ بالخصائص: من استقرار المساحيق إلى إمكانية التحكم في عمليات التلبيد. في المستقبل، تفتح تقنيات الإضافات الفضائية الطريق لظهور فئات جديدة من المواد المصممة مع مراعاة خصائص البيئة التي سيتم استخدامها فيها. ومع ذلك، بدون فهم عميق للكيمياء الفيزيائية للعملية، ستظل الطباعة ثلاثية الأبعاد في الفضاء تجربة وليست أداة. الاتجاه الآخر هو علم المواد الرقمية التنبؤية والتوائم الرقمية. الآن يمكن للعلماء أن يحسبوا مسبقًا الخصائص التي يريدون تصميمها، وبمساعدة التوائم الرقمية يمكنهم التنبؤ بالتدهور واختيار المعلمات لأحمال معينة. وهذا يجعل من الممكن ليس فقط تسريع تطوير مواد جديدة، ولكن أيضًا تقليل تكلفتها بشكل كبير من خلال محاكاة الاختبارات باهظة الثمن. كما أنه يختصر المسار التكنولوجي من الفكرة إلى تنفيذ مادة جديدة – وهو عامل حاسم في بيئة تنافسية عالمية. كيف يصنع العلماء مواد لمهمات فضائية جديدة تتطلب الصناعة مواد ذات سلوك طويل الأمد يمكن التنبؤ به، وطلاءات ذات خصائص تكيفية، وأنظمة ذاتية الإصلاح وقدرات استشعار مدمجة. في الواقع، نحن بحاجة إلى “مواد ذكية” لا تتحمل البيئة فحسب، بل تستجيب لها أيضًا. يعمل العلماء بنشاط على إنشائها، وفي عملهم يأخذون في الاعتبار خصائص بيئات المهام المخططة المحددة. على سبيل المثال، الكشط العالي للغبار القمري الذي يتداخل مع السطح ويتغلغل في الأجهزة؛ إشعاع المريخ يسرع من تدهور الهياكل؛ الغلاف الجوي الزهري، الذي يفرض متطلبات شديدة على مقاومة الحرارة والاستقرار الكيميائي للأجهزة. يمكن حل هذه المشكلات بواسطة متخصصين لديهم معرفة بفيزياء الحالة الصلبة والكيمياء والميكانيكا وعلوم المواد الحيوية مع التركيز على ظروف التشغيل المحددة بدقة. وهكذا، فإن المنافسة في صناعة الفضاء تصبح أيضًا منافسة بين مدارس علوم المواد. وفقًا لتصنيف إحدى الشركات التحليلية الأكثر موثوقية ومعترف بها في المجتمع الأكاديمي العالمي – Quacquarelli Symonds – كانت NUST MISIS الجامعة الروسية الأولى في علوم المواد لعدة سنوات متتالية. كجزء من مشروع تجريبي لتحسين نظام التعليم العالي*، نطلق برنامجًا متخصصًا للتعليم العالي “الهندسة الأساسية للمواد الوظيفية والإنشائية”. وباعتباري أحد معلميها، سأشارك أسرار نهجنا في التدريس. يعكس المساران التعليميان “المواد شديدة الحرارة والمواد فائقة الصلابة” و”الكيمياء الفيزيائية للعمليات والمواد” الفئتين الرئيسيتين من المشكلات التي نركز عليها. ومن المهم أن لا أقوم أنا وزملائي بتدريب تقنيين متخصصين للغاية، بل نقوم بتدريب الباحثين الشباب على إنشاء مواد ذات خصائص محددة لظروف تشغيل محددة: سواء كانت علم المعادن أو الطب أو الفضاء. وفي الوقت نفسه، أساس التدريب هو المشاريع العلمية الشاملة التي يجريها طلابنا في مختبرات الجامعة وفي المواقع الشريكة، بما في ذلك بالتعاون مع روسكوزموس وروساتوم. *تم إطلاق مشروع تجريبي لتحسين نظام التعليم العالي بموجب مرسوم من رئيس الاتحاد الروسي في عام 2023 في ست جامعات: NUST MISIS، MAI، IKBFU. كانط، MPGU، TSU وجامعة التعدين. ويرتكز النظام الجديد على مبادئ الأساسية والتوجه العملي والمرونة. يتم توفير هيكل المستوى: التعليم العالي والتعليم العالي المتخصص والتعليم العالي. واعتبارًا من 1 سبتمبر 2026، سيتم إضافة 11 جامعة أخرى إلى الجامعات الست الأولى.