Como a NASA Reinventou a Roda

este metal é o mais próximo da magia que se pode encontrar na natureza eu simplesmente não entendo ele pode ajustar sua disposição de átomos para retornar a alguma alguma forma predefinida mas também converte entre energia mecânica e térmica e pode se esticar até 30 vezes mais do que um metal comum e ainda voltar ao seu tamanho original sinto minhas mãos voltando ao tamanho normal por causa dessas propriedades únicas está sendo usado em tudo desde dispositivos médicos até brinquedos e pneus de bicicleta a Prova de Balas e está permitindo que a NASA reinvente a Roda para exploração espacial Este é o esqueleto do pneu o esqueleto do pneu é uma mola então basicamente Esta é a mola aplicada à roda Você enrolou uma mola em uma roda não fica mais simples que isso não é aqui está uma bicicleta que tem molas dentro de um polímero Se você olhar lá dentro este pneu não requer pressão de ar para funcionar a mola de metal proporciona toda a estrutura e absorção de choque isso é cerca de 100 libras por polegada quadrada o padrão para uma bicicleta de estrada O que significa que você deve ser capaz de perfurá-lo sem perda de desempenho Então vamos dirigir sobre uma cama de pregos mas primeiro testos um pneu pneumático tradicional para garantir que esses pregos estão afiados outro furo outro pneu furado isso era meio que esperado então agora vou testar esses pneus Sem Ar dirigindo sobre a mesma cama de pregos eu ouvi muitos estalos eu devo ter acertado alguns pregos eu não sinto nada de diferente ainda anda bem vou ganhar alguma velocidade isso é definitivamente um prego provavelmente quebrou dentro é isso que parece o prego está no pneu agora vamos tentar aar uma bala no pneu e ver o que acontece 3 2 1 lá está olhe para isso é é realmente Limpo né um disparo direto mal dá para ver a marca no pneu parece que este realmente atingiu atingiu o Liga sim para mim sim sim você pode ver que nós dividimos parte da bala antes mesmo de chegar ao papelão como está o passeio sim sem problemas Prova de Balas este pneu de bicicleta a Prova de Balas vem da pesquisa da NASA para criar rodas para Missões espaciais fazer boas rodas para outros planetas é muito desafiador muitos dos lugares onde queremos enviar rovers tem baixa ou nenhuma pressão atmosférica pneus pneumáticos de borracha não podem ser usados devido às condições extremas na lua e em Marte Sem pressão confinante externa o objeto pode explodir ademais com as temperaturas caindo a extremos a fica frágil se isso fosse um mastro de bandeira a temperatura voltada para o sol seria de 250º fhe acima de zero na sombra está 250 gra abaixo de zero Vamos colocar borracha na lua 90 negativo é a temperatura de transição do vidro é quando o polímero passa de flexível para um elemento rígido Isso é o que acontece quando você mergulha Borracha em nitrogênio líquido [Música] poro não Ena por ISO quase todas as Rod usadas para explorar outos planetas foram feitas de metal duro Esta é uma pea sobressalente para Rover curiosity feita de um únic Bloc de alumí usinado para fixadores sold quonto de em potencial Mas como é muito caro lançar matéria no espaço as rodas precisam ser o mais leves possível é meio leve mas ainda é pesado para atender as limitações de massa fizeram a pele com 0,7 mm de espessura mais fino que um cartão de crédito Sim esses membros estruturais aqui que também chamamos de growers estão aqui para dar força à roda mas também ajudam a agarrar obstáculos e agarrar o solo O problema é que como essa borracha é tão grande e pesada e o terreno é tão agressivo e desagradável eles estão realmente vendo cargas de pico muito mais altas concentradas nas áreas Entre esses growers do que o previsto e esta é a condição atual das Rodas em Marte agora como é possível notar há grandes buracos e rachaduras onde a pele estava a roda ainda funciona e não imobilizou o Rover permitindo que ele complete sua missão no entanto isso afeta para onde ele pode ir e sua eficiência quando você aplica uma força a um material isso é conhecido como tensão e o que você realmente está fazendo é puxar todos os átomos dentro do objeto e como resultado o espaçamento deles muda um pouco e então o material se deforma por exemplo se você puxar um objeto ele ficará um pouco mais longo e a mudança por unidade de comprimento é chamada de deformação agora para a maioria dos materiais sob baixas tensões a deformação é diretamente proporcional a tensão aplicada quanto mais você estressa mais ele se estica e o material é elástico ao remover o estresse o objeto retorna ao tamanho original então nenhum átomo se moveu e nenhuma ligação foi quebrada ou formada você você só os fez flexionar ao aplicar esse stress porém se o stresse aplicado ultrapassar a resistência ao escoamento do material a deformação é tão intensa que os átomos não mantêm suas posições relativas defeitos chamados de deslocações de borda podem se mover pelo material os átomos Estão realmente se rearranjando E então a deformação não é reversível é deformação plástica então o objeto não voltará à sua forma original quando o estresse for removido com o estresse eficiente o material pode fraturar por completo no pior cenário isso resulta em buracos como nas rodas do Rover de Mart que reduzem seu desempenho e em última instância poderiam comprometer a missão metais comuns suportam uma tensão elástica de apenas cerca de 0,33% a 0,8 por. além disso eles sofrem deformação plástica e não Retornam a sua forma original no fim eles podem até fraturar certo lá ele vai certo sim e você também chutou torceu e esticou cada componente de um veículo espacial é projetado para nunca se esticar mais do que 0,38% o que é uma limitação significativa existe um tipo diferente de roda que a NASA testou no espaço que são as do veículo lunar de exploração Apolo isso essa estrutura particular que eles construíram é algo que chamamos de pantógrafo tudo o que existe é um conjunto de fios Tecidos em um padrão entrelaçado isso na superfície aqui para obter aderência e fortalecer É principalmente para garantir que o pneu não afunde no chão estudos foram realizados com faixas de Rodagem para determinar a cobertura necessária descobriu-se que cerca de 50% era suficiente para manter o pneu flutuando na superfície e manter essa flexibilidade as rodas do veículo lunar funcionaram bem para as viagens curtas realizadas na lua ou seja esse veículo já percorreu uma distância máxima de 36 km no entanto essas rodas tinham que ser projetadas para minimizar a deformação plástica da malha de Aço então eles colocaram essa estrutura interna lá dentro chamamos isso de batente quando atingem um obstáculo e é deformado a deformação é interrompida ao atingi-lo para mantê-lo apenas abaixo desse limite proporcional onde eles induziram plasticidade a roda foi adequada para as missões Apolo curtas mas para viagens mais longas um batente não impedirá a deformação plástica acumulada ao longo do tempo rodas Navais de Aço malhado foram testadas na terra mas seu desempenho degrada ao longo do tempo Este foi o pneu de mola de Aço de Marte que fizemos e testamos naquele equipamento e não há fratura mas há muita deformação permanente visível precisamos de um material forte e durável como o aço mas que suporte mais tensão sem deformação permanente e é aqui onde isso entra em cena 191 o laborató de armamentos Navais realizava experimentos com diferentes ligas de níquel e tit amostra havia scida eada repetidamente fo um dos diretores técnicos Associados por er um fumante de cachimbo então deci ver o que a amostra faria se aplicasse Pou de calor do seu isqueiro e quando ele fez isso descobri que o material mudou de forma isso chocou a todos e levou a mais investigações sobre o material que ficou conhecido como nitinol por seus componentes níquel e titânio e pelo laboratório de munições Navais onde foi descoberto Então por que que o nitinol mudou de forma né isso ocorre porque a liga ela pode sofrer uma mudança de fase no estado sólido ao ser aquecido os átomos do nitinol se organizam em uma disposição de rede cúbica essa fase é conhecida como como austenita mas ao esfriar os átomos se acomodam em uma forma conhecida como martensita geminada é uma disposição mais desorganizada e assimétrica dos átomos e nesta fase você pode aplicar estresse ao material e deformá-lo porém Diferentemente de um metal comum essa deformação não causa o rompimento de ligações atômicas e o movimento de deslocamentos pelo material agora neste caso a estrutura Cristalina está mudando nova nov para uma forma destorcida de martensita ao aquecer novamente o material passa de martensita de volta para austenita o que significa que os átomos Retornam à suas posições originais fazendo com que o material volte à sua forma Inicial podemos basicamente definir essa forma como a conhecida forma parental forma de memória é por isso que chamamos de forma de memória eu posso esticar isso se eu esfriar poderia esticá-lo mais mas assim que eu aquecê-lo novamente ele se lembrará daquela forma original de origem e é por isso que o nitinol é considerado uma liga de memória de forma a forma é definida em alta temperatura quando o material está austenítico conforme o material esfria ele sofre uma transição de fase para marcita geminada se o estresse for agora aplicado ao material nesta fase ele pode ser extensivamente pela mudança da estrutura Cristalina para martensita degerin quando o estress é liberado a maior parte da deformação permanece mas quando a amostra é aquecida os átomos Retornam à fase austenita o que retorna o material a sua forma original É como se você estivesse à beira de entrar na água é tão rápido quanto você pode conduzir calor para ele ou tirar calor dele uau uau quero dizer isso é legal essa propriedade do nitinol é a mais conhecida tornando-o útil para diversas aplicações Então isso é um Stent eles esfriam levemente isso logo abaixo para martensita e depois o esmagam ou alongam então você pode ver que fica bem fino depois eles colocam em um catéter e esse catéter passa pelo corpo até o lugar onde eles querem implantar o stente ao implantá-lo ele volta imediatamente aumentando o diâmetro externo e abrindo a artéria o nitinol é ideal para essa aplicação as ligas de memória de forma podem gerar forças significativas quando aquecidas podendo ser usadas como atuadores você vai ver uma enorme quantidade de força e tensão acumulada no fio O que podemos ver aqui com quanto ele está puxando 6 l 7 você pode realmente ver isso contrair em 13 15 16 17 20 l ai tá levantando isso isso é cerca de 90 N de força cientistas já usaram ligas de memória de forma para fraturar rochas as ligas de memória de forma estão sendo investigadas para uso na Aviação anteriormente fiz um vídeo sobre geradores de vórtice pequenas aletas projetadas para fora da asa de um avião que provocam turbulência no fluxo de ar isso é essencial para decolagem e pouso a fim de manter o fluxo aderido à asa e evitar o stop mas quando você está em altitude de Cruzeiro e não precisa desses vórtices sendo gerados você quer que eles sejam guardados porque eles causam um arrasto indesejado conforme o avião sobe da decolagem para o Cruzeiro passamos de uma temperatura no solo para algo próximo a menos 50 Men 60º C em Cruzeiro a liga é projetada entre essas temperaturas para que possamos aproveitar a mudança de temperatura ambiente que ocorre no ambiente quando esfriamos isso sem controlador sem operador ele permanece plano de forma autônoma a temperatura na Qual o material transita entre austenita e martensita pode ser ajustada para estar em qualquer lugar entre Men 150 a positivos 350º C isso é feito alterando a proporção dos elementos e usando diferentes tratamentos térmicos E então à medida que isso aqueceria novamente chegando para pousar sobe direto novamente este princípio foi expandido para operar as principais Abas numa aeronave agora o aquecimento e o resfriamento são controlados ativamente por um elemento de aquecimento então fizemos demonstrações onde você tem uma aeronave 737 e sem atuadores Hidráulicos na caixa da asa temos um mecanismo de transporte acionado por dois tubos de nitinol que acionam ailerons e flaps na asa de um boem 737 em em voo 60º de ângulo de Flap para baixo e 30º para cima apenas aquecendo e resfriando dois tubos de nitinol substituindo toda a hidráulica o efeito de memória de forma é o que as pessoas mais conhecem sobre materiais Como nitinol Mas eles têm outra propriedade única que os torna ideais para fabricar rodas duráveis e você vai pegá-lo e vai enrolá-lo algumas vezes na sua mão assim e vai simplesmente Puxar esse fio e sentir uma tensão de 6 a 8% em um pedaço de metal Ah isso é realmente estranho isso é uma tensão de 6 a 8% o que você não pode fazer em outros fios certo mas o que é estanho nisso é que parece um pouco crocante você está sentio todas as reorientações tão estranho legal né sim muito legal você consegue ouvir isso quão estranho é isso esse sinal sonoro é do 20 as ligas de memória de forma podem se esticar até 88% do seu comprimento e ainda retornar ao tamanho original essa propriedade é conhecida como super elasticidade ou pseudo elasticidade mas são meio que nomes impróprios porque o material não está realmente operando em seu regime elástico o que realmente está acontecendo é que este nitinol está na fase austenítica sua temperatura de transição é inferior a ambiente mas ao aplicar um stresse mesmo sem mudança de temperatura você pode forçar a estrutura Cristalina a mudar de austenita para martensita destorcida e essa reorganização permite que o nitinol se deforme em 88% e ainda assim ele voltará a sua configuração original assim que o estresse for removido e os átomos retornarem à fase austenita o som que você ouve é o material passando por uma mudança de fase induzida por estresse no estado sólido se você quiser pensar sobre isso em uma curva de tensão deformação agora essa transformação está ocorrendo inteiramente acima da temperatura de transição da martensita então o material começa na fase austenita e então o estresse aplicado é o que induz a mudança de fase de austenita pra martensita distorcida e quando esse stresse é removido os átomos voltam PR a fase austenita e assim o material retorna ao seu tamanho e forma originais se isso fosse um tubo normal eu dobraria até aqui ele se plastificar se fosse um tubo de latão que tem um modo de flambagem plástica ele faria a parede flambar eu nunca pegaria minhas mãos e as dobraria assim e faria com que voltassem completamente ao formato original o nitinol está se transformando de austenita para marcita e de volta quando passamos da fase de maior simetria a austenita PR a fase filha de menor simetria Qual é ela exotérmico ou endotérmico Acho que deveria ser isotérmico bom trabalho cara da ciência se você colocar a mão em volta deste tubo vai realmente sentir a energia térmica a entalpia dessa transformação evoluindo como calor sim ah sim isso está realmente quente Ah isso realmente está queimando como se eu não pudesse manter minha mão mantenha a sua mão nisso não vai queimar quando o estresse é removido e o material volta a ser a essa de fase é endotérmica el absorve calor você pode usar isso para uma geladeira então é exatamente isso n então Outra área onde esses materiais estão sendo aplicados em um campo chamado elcos Onde usamos essa transformação para fazer coisas equivalentes bomba de calor quero gravar isso com a câmera térmica nós temos um conosco Como assim esse potencial de dissipação pode agir um pouco como a dissipação no amortecedor certo então o próprio pneu poderia realizar parte desse potencial de dissipação por si só ele quase age como um amortecedor certo para se livrar dessa perda de energia então seu pneu realmente tem o potencial de se tornar um sistema de suspensão completo que obviamente simplifica muito a construção de veículos para o espaço o original pneu quando eu coloco carga nele Ok você pode ver que estou apenas transferindo uma carga da pegada para essa pequena seção do pneu certo ao amarrar este elemento de batente a aqui quando eu passo por uma pegada você pode ver agora que Estou transferindo carga 360º ao redor do pneu certo ao fazer isso agora aumentei minha capacidade de carga significativamente sem adicionar mais massa então para fazer um pneu de liga de memória de forma eles tecem molas de níquel e titânio juntas em uma malha é um processo muito tedioso e demorado você vai pegá-lo assim sim você vai pegar as duas pontas não e agora pegue você sabe que você está nisso sim e parafuse isso oh meu Deus você está brincando comigo isso é o que você faz todos os dias 684 vezes 684 vezes por pneu mas essas rodas funcionarão em rovers na lua e em Marte bem eles testam as rodas extensivamente em um Carrossel rotativo de diferentes tipos de terreno desde areia até pequenas rochas e rochas maiores então o Rig de resistência na terreno basicamente consiste em um Carrossel circular que é movido independentemente a montagem da roda do pneu também é movida independentemente permitindo criar uma condição de deslizamento forçado para dirigir sem [Música] deslizamento e essa é a velocidade com que um Rover de mar estaria se movendo a velocidade média é de cerca de 6,7 cm por segund essa é uma velocidade nominal eles não vão muito rápido para dar uma caminhada na lua simulada regulada parece uma praia e tem a sensação de praia este lado é destinado a simular a superfície da lua e este lado é para ser a superfície de Marte isso afunda bastante a roda está rolando rolando bate numa pedra e estou empurrando para dentro ou eu quero colocá-la em cima eu diria para colocar em cima e simplesmente colocar todo pro seu peso corporal sobre ela é isso A Liga de memória de forma é forte o suficiente para suportar o peso do veículo ou veículo e tripulação mas também é muito flexível podendo deformar até 8% sem danos permanentes isso é essencial para Missões espaciais longas então é uma grande quantidade de deformação e ainda assim não além de 8 uma grande quantidade de deformação e ainda assim não além de 8% é tão pegajoso voltando para o carro depois da praia complicado para um Rover certo mas esses pneus Não serão apenas para o espaço eles também exploram aplicações terrestres na maioria das aeronaves os pneus dessas aeronaves eles precisam ser pressurizados a pressões realmente muito altas 300 400 libras por polegada quadrada não os 30 a 60 libras por polegada quadrada convencionais que você faz em um pneu de carro ou caminhão certo temos problemas onde nessas enormes pressuriza eles podem explodir a outra questão é a manutenção certo então se eu sou um pneu pneumático e estou contando com essa pneumática para o desempenho do sistema Eu sempre tenho que estar verificando a pressão do ar para garantir que estou na pressão de inflação correta para que eu não esteja consumindo combustível demais ou não esteja em um lugar onde eu poderia potencialmente estourar um pneu por causa das cargas ao passar para um sistema estrutural que não depende de áre especificamente para a aplicação todos esses problemas desaparecem eles testaram um em um Deep como não depende de ar pressurizado para suporte simplesmente não é possível ter um pneu furado Além disso ele nunca pode estar com pouca inflação o que melhora muito a economia de combustível com o metal que funciona como mágica você pode fazer pneus sem ar que nos levarão para fora da estrada Estrada pro ar e Através de outros mundos m