Prima di procedere
L'idea di un'astronave capace di solcare lo spazio per secoli è da sempre un pilastro della fantascienza. La realtà, però, pone sfide notevoli: la creazione di materiali 'eterni', capaci di auto-ripararsi e mantenere intatta la propria struttura nel tempo, è un obiettivo ambizioso. La scienza si sta muovendo in questa direzione, come dimostra la ricerca condotta all'Università della Carolina del Nord. Un team di ricercatori ha sviluppato un meta-materiale a base di composito in fibra di carbonio in grado di auto-riparare crepe e delaminazioni, problematiche comuni in questo tipo di materiali.
I compositi in fibra di carbonio sono utilizzati da circa un secolo nella produzione di macchinari e componenti. Tuttavia, la delaminazione, ovvero la separazione delle fibre dalla matrice epossidica, rappresenta una delle principali cause di deterioramento, portando alla formazione di crepe e alla rottura delle parti. La capacità di auto-riparazione estenderebbe significativamente la vita utile di queste strutture, riducendo i costi di manutenzione e sostituzione. Questo è cruciale in settori come l'aerospaziale, l'automobilistico, l'eolico e persino per le esplorazioni nello spazio profondo, dove le riparazioni sono complesse o impossibili.
Il meccanismo di auto-riparazione si basa sull'impiego di un agente termoplastico, il poli(etilene-co-acido metacrilico) (EMAA), stampato in 3D in un sottile strato sulle fibre di rinforzo. Questa 'interfaccia' aumenta la resistenza alla delaminazione di un fattore compreso tra 2 e 4. Inoltre, nel composito sono integrati sottili strati di carbonio che fungono da elemento riscaldante all'interno del materiale.
Quando si formano delle crepe, una corrente elettrica viene fatta passare attraverso gli strati di carbonio, generando calore localizzato. Il termoplastico si scioglie a temperature comprese tra 150 e 200 °C, penetrando nelle micro-fratture e nelle delaminazioni. Una volta raffreddato, il materiale si solidifica, ripristinando l'integrità della struttura grazie all'intreccio delle catene polimeriche. L'intero processo è automatizzato e avviene in situ, senza necessità di interventi esterni.
Durante i test automatizzati, il materiale ha resistito a oltre 1000 cicli di 'danneggiamento-riscaldamento-riparazione' in un periodo di 40 giorni. La resistenza del materiale è diminuita gradualmente dal livello base del 175% al 60%, ma anche dopo centinaia di cicli è rimasta superiore a quella dei materiali standard in fibra di carbonio. La tecnologia è stata brevettata (US Patent 11,613,088B2) ed è disponibile per la concessione di licenze tramite la startup Structeryx.
Questa tecnologia potrebbe rivoluzionare la durata delle strutture composite, potenzialmente estendendola da decenni a secoli. Attivando il processo di auto-riparazione ogni tre mesi, un componente potrebbe durare oltre 125 anni; se la procedura venisse eseguita annualmente, la durata potrebbe raggiungere i 500 anni. Questo impatto è particolarmente significativo per settori come l'aviazione, l'energia eolica, l'industria automobilistica e i veicoli spaziali, dove la sostituzione di componenti danneggiati è costosa e genera rifiuti (che devono essere smaltiti). In alcune situazioni, come nello spazio profondo, la riparazione è del tutto impraticabile.
La tecnologia apre la strada a una nuova generazione di materiali 'intelligenti' e auto-riparanti, capaci di ridurre l'impatto ambientale e i costi di manutenzione, avvicinandoci all'obiettivo di un futuro più sostenibile. La disponibilità della tecnologia per la concessione di licenze suggerisce che potremmo presto vedere applicazioni concrete di questo 'plastica eterna' nella vita di tutti i giorni.
