Có nên dùng bánh răng bằng thủy tinh kim loại trong các nhiệm vụ không gian?

"Một loại vật liệu được gọi là thủy tinh kim loại, được tạo ra bằng cách hóa lỏng, sau đó nhanh chóng làm mát kim loại, có thể là nguyên liệu lý tưởng để chế tạo ra bánh răng cho robot du hành liên sao", theo nghiên cứu mới cho biết.

Hai nghiên cứu mới tập trung vào việc sử dụng số lượng lớn thủy tinh kim loại (bulk metallic glass - BMG) như một nguyên liệu trong việc chế tạo bánh răng cho các nhiệm vụ không gian. Thủy tinh kim loại được gọi là BMG khi được sử dụng để sản xuất các sản phẩm lớn hơn 1mm (0.04 inch).

Số lượng lớn thủy tinh kim loại được hình thành bơi nóng chảy và sau đó nhanh chóng làm mát kim loại, không quá giòn khi thời tiết cực lạnh. Hai nghiên cứu mới kiểm tra tính hiệu quả và chi phí làm bánh răng cho tàu vũ trụ không gian từ Số lượng lớn thủy tinh kim loại. (Nguồn ảnh: NASA / JPL-Caltech).

Để làm số lượng lớn thủy tinh kim loại BMG, trước tiên các kỹ sư phải làm tan chảy kim loại. Kim loại rắn có cấu trúc tổ chức nguyên tử tinh thể tốt. Nhưng khi kim loại tan chảy, các nguyên tử làm mất cấu trúc đó và trở thành sắp xếp ngẫu nhiên, theo một công bố từ NASA. Nếu kim loại từ từ nguội dần, các nguyên tử sẽ quay trở lại sắp xếp tinh thể đầu. Ngược lại, nếu kim loại rắn được làm nguội lại một cách nhanh chóng - khoảng 1000 độ C (1.800 độ F) trong một giây - sau đó hình dạng cấu trúc "vô tổ chức" vẫn còn giữ nguyên.

Các kim loại nguội nhanh cũng được gọi là kim loại vô định hình (amorphous metals) và "bằng cách được làm mát quá nhanh, vật liệu kỹ thuật là thủy tinh. Nó có thể dễ dàng lưu thông và được thổi vào khuôn khi nóng lên, giống như ô kính cửa sổ thủy tinh", các nhà khoa học NASA giải thích trong báo cáo kết quả.

Thủy tinh kim loại lần đầu tiên được phát triển tại Học viện công nghệ California (California Institute of Technology) trong những năm 1960, và "được sử dụng để sản xuất mọi thứ từ điện thoại di động đến các câu lạc bộ golf", NASA cho biết trong công bố. Để tìm hiểu xem số lượng lớn thủy tinh kim loại BMG có thể là nguyên liệu tốt để làm các bánh răng cho tàu vũ trụ không gian, Douglas Hofmann, một kỹ sư công nghệ tại Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực của NASA (NASA's Jet Propulsion Laboratory) và cũng là tác giả chính của hai nghiên cứu, làm bánh răng từ số lượng lớn thủy tinh kim loại BMG, đồng thời thử nghiệm chúng ở nhiệt độ cực thấp. Một trong hai nghiên cứu mới, được công bống trên tạp chí Advanced Engineering Materials, cho rằng những bánh răng chứng minh "mômen mạnh" và hoạt động trơn tru không cần chất bôi trơn ở nhiệt độ lên tới âm 200 độ C (âm 328 độ F).

Một ví dụ về hộp số bánh răng không độ rơ, được biết đến như một ổ đĩa điều hòa - một trong những loại bánh răng đắt nhất được sử dụng trong rôbốt có độ chính xác cao. Khi các bánh răng quay, vòng linh hoạt bên trong nó ép chặt lại, trở thành hình bầu dục. (Nguồn ảnh: NASA / JPL-Caltech).

Khả năng hoạt động của bánh răng ở nhiệt độ cực thấp là rất quan trọng vì hai lý do. Trước tiên, một số chất liệu (bao gồm một số kim loại) trở nên giòn ở nhiệt độ lạnh, nhưng đó không xảy ra với trường hợp thủy tinh kim loại. Điều đó có nghĩa sẽ ít rủi ro xảy ra khi một bánh răng phá vỡ trong quá trình hoạt động, theo công bố cho biết.

Lợi ích thứ hai là năng lượng tiêu thụ. "Khả năng hoạt động các bánh răng ở nhiệt độ cực thấp của vệ tinh băng giá, như vệ tinh Europa của sao Mộc, là một thay đổi tiềm năng đối với các nhà khoa học", R. Peter Dillon, một kỹ sư công nghệ và quản lý chương trình trong nhóm phát triển vật liệu và sản xuất kỹ thuật của JPL. "Năng lượng không còn bị bòn rút bởi những dụng cụ khoa học dành cho việc làm nóng hộp số bôi trơn, bảo tồn năng lượng pin".

Những lợi ích khác của bánh răng BMG là chi phí thấp và dễ sản xuất. Các bộ phận được làm từ số lượng lớn thủy tinh kim loại BMG được đúc bằng công nghệ phun đúc, theo tuyên bố của NASA, điều đó có nghĩa là vật liệu được hóa lỏng và bơm vào khuôn. Kỹ thuật này cũng được sử dụng để sản xuất các bộ phận bằng nhựa.

Hai nghiên cứu được tiến hành bởi Hofmann và các đồng nghiệp cho thấy bánh răng số lượng lớn thủy tinh kim loại BMG có chi phí hiệu quả cao hơn so với bánh răng sóng biến dạng, đó là "phổ biến trong những conrô bốt đắt tiền", theo công bố cho biết: Đặc biệt, những bánh răng này gồm có một vòng kim loại linh hoạt, đó là "khó khăn khi sản xuất hàng loạt và phổ biến ở trong rôbốt đắt tiền. Vì vậy, bánh răng BMG có thể sản xuất ít hơn", các quan chức của NASA cho biết trong báo cáo.

"Sản xuất hàng loạt bánh răng sóng biến dạng sử dụng BMGs có một tác động lớn trên thị trường tiêu dùng rô bốt" Hofmann nói. "Điều này đặc biệt đúng với các rôbốt có hình dạng giống người, được sử dụng bánh răng trong các khớp có thể rất đắt tiền để ngăn chặn việc tay run rẩy. Việc thực hiện ở nhiệt độ thấp cho tàu vũ trị JPL và rôbốt có vẻ là một lợi ích giúp tăng thêm hạnh phúc".