Crash: Materiali Compositi

Mhh…fatemi pensare, come posso incominciare l’articolo in modo da fare il BOTTO. Devo trovare una frase di IMPATTO, qualcosa che possa ROMPERE la monotonia! Ah, ho trovato:

“Siate RESILIENTI!”

Ok! forse non è il massimo dell’originalità. Anzi, questa frase l’abbiamo sentita trilioni di volte, di solito intrisa di quel l’ambizione politica nazional popolare, tanto amata da chi preferisce parlare alle pance piuttosto che al cuore delle persone.

Ma vi siete mai domandati cosa significhi: essere resilienti?

La resilienza è la capacità di un corpo ad assorbire l’energia d’impatto, che verrà spesa in energia di deformazione e dissipata, evitando così la rottura. Insomma, essere resiliente significa “incassare bene i colpi!”.  Certo, non siamo Rocky Balboa! Tuttavia, la resilienza rimane una virtù umana incredibile, fondamentale per resistere alle difficoltà della vita, perché ci permette di rialzarci dopo ogni caduta.

Ok! Abbandoniamo questo magico momento alla “Will Hunting”. La resilienza è una proprietà dei materiali importantissima per gli esperti di Crashwothiness, la disciplina che studia/simula scenari di impatto al fine di creare materiali più resistenti.

Perchè lo studio degli impatti è cosi importante?

In una sola parola: SICUREZZA! delle persone, ovviamente. Nel settore automobilistico ed aerospaziale, la progettazione di materiali resistenti ad impatto è un processo molto delicato, che parte dall’analisi numerica (simulazione), prosegue per la sperimentazione reale del materiale e del componente da testare, e si conclude con la validazione di questo ultimo. Se gli incidenti stradali sono molto frequenti, anche quelli aerei non sono da meno! Uno dei problemi più ricorrenti dell’aviazione è il “bird strike”, ovvero l’impatto di uno o più volatili contro parti di velivoli. La F.A.A. (Federazione Amministrativa dell’Aviazione) ha dichiarato che: tra il 1990 e il 2008 ci sono stati 219 decessi a causa del bird strike.

Ricordate il film “Sully”? Il protagonista è un pilota di aerei civili, interpretato da un incredibile Tom Hanks, intento a compiere una spericolata manovra di salvataggio. La causa? Collisione con uno stormo di uccelli, di cui alcuni sono entrati nel motore, portandolo in avaria. Ah, per gli amanti del lieto fine, non preoccupatevi! Il pilota (Sully) riesce a salvare tutti, atterrando su…l’acqua del fiume Hudson!

Il film è ispirato ad un evento realmente accaduto. Si tratta dell’incidente del 2009, che ha visto coinvolto un Airbus 320 della U.S. Airways. Un episodio è passato alla storia per la capacità del pilota di aver evitato una tragedia (c’era il rischio di precipitare contro i palazzi di Seattle).

Questo di Sully non è stato un caso isolato. Gli impatti non vengono classificati in base alla loro velocità (spesso correlato al rischio danno): bassa, media, alta velocità e balistica.

E la ricerca come si sta muovendo?

Dal settore aerospaziale a quello navale, da quello automobilistico a quello energetico, quando si parla di materiali si fa sempre più largo uso della parola: compositi, prodotti che nascono dall’unione di due o più materiali, e sono costituiti da:

• Una matrice, che è l’elemento preponderante, che verrà riempito con le fibre. Può essere metallica, ceramica, resina a seconda delle applicazioni.
• La fibra, ovvero il riempimento della matrice. Questa è l’anima del composito in quanto la sua forma, disposizione, materiale e orientazione influisce enormemente sulle proprietà meccaniche e fisiche dell’intero materiale.

Tanto per semplificare, il torrone che mangiamo a Natale…è un perfetto esempio di materiale composito: la matrice è la pasta di zucchero, mentre le fibre sono le mandorle, che danno consistenza e rigidità al dolce. Come già avrete capito, esistono ed è possibile creare un gran numero di materiali compositi, che sono già presenti in natura: le ossa, il legno …sono tutti compositi. Se volessimo restringere il campo di appartenenza, possiamo dire che la scelta sui materiali leggeri e resistenti ad impatto ricade spesso su tre tipologie di fibre: kevlar, carbonio e vetro. I motivi di tale scelta risiede nell’avere un ottimo compromesso tra: tempi e costi di produzione, lavorabilità, resistenza e leggerezza. Non sono solo i materiali ad incidere sulle capacità resistive del componente, ma anche la sua forma e configurazione.

Materiali fantastici e dove trovarli

Nella progettazione di super-materiali, l’attenzione è rapita dai compositi ispirati alle ragnatele (spider-web). Come avveniva nei laboratori della Oscorp Corporation, quelli in Peter Parker era stato morso da un ragno, anche in altri laboratori del mondo si stanno studiando i ragni e le loro fantasmagoriche creazioni. È la biomimetica, ovvero la disciplina umana che ricerca soluzione studiando i sistemi biologici naturali. I ragni sono gli ingegneri della natura per eccellenza, perché le ragnatele sono sistemi complessi perfetti per resistere agli impatti, quelli degli insetti predati che viaggiano ad altissime velocità. Ecco che le ragnatele diventano fonte di ispirazione per compositi da usare in ambito balistico.

Insomma, come affermava Leonardo Da Vinci: la Natura continua ad essere la più grande musa ispiratrice dell’uomo. Il materiale (che dipende dall’alimentazione del ragno), le geometrie (spirale, segmentato…), la configurazione (bidimensionale o tridimensionale), la sezione del filamento (cilindrico è molto resistente), sono tutti parametri indispensabile per la cattura delle prede e l’integrità della ragnatela. Ogni ragnatela è diversa l’una dall’altra, come se fosse una firma o meglio l’impronta digitale del ragno.

Nell’ambito della ricerca e sviluppo, ci si concentra su quelle bidimensionali (di più facile risoluzione), che hanno geometria molto diverse. Recentemente, è stato creato un materiale composito, le cui fibre semi-trasparenti sono state stampate in 3D e disposte a una ragnatela. Secondo i test di impatto effettuati su questo composito, la maggior parte dell’energia si concentra negli anelli di intersezione dei filamenti, per poi essere dissipata all’esterno della struttura.

Ancora una volta la realtà supera l’immaginazione, tanto da non riuscire più a distinguere tra scienza e fantascienza. Dopotutto, questa distinzione ha così tanta importanza?

La maggior parte dei ricercatori lo sono diventati perché hanno inseguito un sogno…un sogno nato dal fascino per le opere fantascientifiche. Un fumetto di supereroi, un film, una serie o un libro di fantascienza, sono stati l’innesco della loro passione per il sapere scientifico. Una fiamma che difficilmente può essere spenta e che continua ad ardere nei loro cuori. Carlo Rubbia, premio Nobel per la fisica, disse:

“Non esiste fantascienza senza scienza, come non esiste scienza senza fantascienza”

Mi piace pensare che ognuno, in questo mondo o nell’altro, possa contribuire allo sviluppo tecno-scientifico (ma soprattutto umano) scrivendo con la propria storia. E la tua, qual è?

Riferimenti:

• Could we make vibranium?
• Black Panter, Vibranium, and the Periodic Table
• Spiderweb-Inspired-Transparent, Impact-Absorbing Composite

Credit : Mario Russo