فحص راتنجات الفوتوبوليمر السائلة المعرضة لفراغ عالي

بناء معدات فضائية بالغراء السائل

تتخيل العديد من المهمات الفضائية المستقبلية بناء هوائيات كبيرة وذراعان وأشرعة شمسية مباشرة في المدار بدلاً من إطلاقها مجمّعة بالكامل من الأرض. أحد الأساليب الواعدة هو ضغط أنواع خاصة من المواد اللاصقة السائلة، تسمى الفوتوبوليمرات، من فوهة ثم تصلبها بالضوء لتشكيل هياكل قوية. لكن في فراغ الفضاء شبه الكامل، قد تغلي السوائل أو تتصرف بطرق غير متوقعة. تطرح هذه الدراسة سؤالاً عملياً: أي من راتنجات الفوتوبوليمر المتاحة تجارياً يمكن أن تصمد في ظروف فراغ فضائي قاسية وتظل صالحة كمواد بناء موثوقة؟

لماذا يكون فراغ الفضاء قاسياً على السوائل اللاصقة

داخل مصنع فضائي في المدار، ستُعالَج هذه الراتنجات كسوائل تحت ضغوط منخفضة للغاية—أدنى بكثير من أي فراغ صناعي على الأرض. تحت مثل هذه الظروف، يمكن للجزيئات الصغيرة المتطايرة بسهولة في الراتنج أن تهرب. قد يؤدي ذلك إلى تكثيف السائل، وإبطاء أو إضعاف عملية التحلل الضوئي التي تحفزها الأشعة، وتقليل صلابة المادة الصلبة النهائية. كما أن الأبخرة المتصاعدة قد تتكثف على أسطح حساسة مثل الكاميرات أو الألواح الشمسية، مشكلة تُعرف بالتلوث. لذلك تطلب وكالات الفضاء مواد «منخفضة الانبعاث» تكاد لا تفقد كتلتها أو تطلق أبخرة قابلة للتكثف في الفراغ.

تعريض أربعة راتنجات مرشّحة لتجربة شبيهة بالفضاء

اختار الباحثون أربعة راتنجات قابلة للمعالجة بالأشعة فوق البنفسجية متاحة تجارياً وتُستخدم بالفعل كمواد لاصقة أو طلاءات صناعية. شملت اثنين من الإبوكسي عالية الأداء من شركة Delo، وإبوكسي معزز بالألياف من Polymer‑G، ويوثان مؤكسد من Loctite. أولاً، قاس الفريق سلوك كل راتنج «كما هو عند التسليم» في الحالة السائلة والمُصلّبة. ثم عرّضوا السوائل لفراغ عالي لمدة 24 ساعة عند درجة حرارة الغرفة، محاكيين نسخة متطرفة لكن محكومة من ظروف المعالجة التي قد تواجهها في المدار. بعد هذا العلاج، أعيد اختبار الراتنجات لقياس اللزوجة (مدى سيولة أو سماكة السائل)، وكفاءة تصلبها تحت الأشعة فوق البنفسجية أو الحرارة، وصلابة الحالة الصلبة مع تغير الحرارة، ومقدار المادة المتبخّرة.

ما التغيرات التي حدثت عند إزالة الهواء

أصبحت جميع الراتنجات الأربعة أكثر سماكة تحت الفراغ العالي، كما هو متوقع عندما تتبخر أصغر الجزيئات من الخليط. بالنسبة لثلاثة من الراتنجات، زادت اللزوجة بشكل معتدل—بنسبة تقارب 4 إلى 34 في المئة—بينما تحول أحد راتنجات Loctite من سائل رقيق إلى هلام لزج لم يعد بالإمكان قياسه بنفس الأجهزة. كما تغير سلوك التصلب الضوئي: احتاج أحد راتنجات Delo إلى طاقة فوق بنفسجية أكبر بعد التعرض للفراغ لتحقيق نفس عمق التصلب، مما يشير إلى أن مكوّنات حساسة للضوء قد تسربت جزئياً. بالمقابل، حافظ راتنج Polymer‑G وإحدى تشكيلات Delo تقريباً على نفس سلوك التصلب قبل وبعد الفراغ، مما يوحي بتركيبة أكثر متانة.

مدى قوة ونقاء المواد الصلبة النهائية

بعد التصلب، اختُبرت الراتنجات كما لو أنها عوارض مصغرة، ثُنيت برفق أثناء تسخينها. أظهرت جميع المواد بعض «التصلب اللاحق» أثناء التسخين، أي أن الشبكات الداخلية استمرت في التثبيت والزيادة في الصلابة. بعد التعرض للفراغ، فقدت عدة راتنجات ما يصل إلى حوالي ثلث صلابتها عند بعض الدرجات، على الأرجح لأن فراغات أو فقاعات صغيرة تكونت أثناء فرار الأبخرة. ومع ذلك، تغيرت درجات التحول الأساسية—حيث تصبح المادة أكثر طراوة بشكل ملحوظ—قليلاً لثلاثة من بين الأربعة راتنجات، مما يدل على أن الكيمياء الأساسية بقيت إلى حد كبير سليمة. اختبارات الانبعاث أعطت نتائج مختلطة: فقدت السوائل جميعها أكثر من 1 في المئة من كتلتها تحت الفراغ الساخن، لكن اثنين من راتنجات Delo المتصلبة بقيتا آمِنتين تحت الحدود المعيارية للتلوث الفضائي، بينما لم تفِ النظامان المتصلبان الآخران بهذه المعايير.

اختيار المواد اللاصقة الأكثر وعداً للبناء في الفضاء

من منظور البنّاء، الرسالة متفائلة بحذر. تجد الدراسة أن مادتيْن—Delo Katiobond GE680 وPolymer‑G EPV9511—تبرزان كمرشحين عمليين للتصنيع في الفضاء، بشرط أن يزيل المهندسون الهواء المحبوس والمكونات المتطايرة عبر إزالة الغازات المسبقة بعناية ويحدّوا وقت التعرض للفراغ أثناء الطباعة أو الربط. ظلّت كلتا الراتنجتين قابلتين للتصلب بعد علاج فراغ عدواني لمدة 24 ساعة، وبقيت صلابتهما في الحالة الصلبة، رغم الانخفاض الطفيف، عالية بما يكفي للاستخدامات الهيكلية. أما الراتنجتان الأخريان فتعرضتا لفقدان كتلة مفرط أو تكثف شديد أو صلابة غير موثوقة عند درجات حرارة أعلى، مما يجعلهما خيارات سيئة لبناء معدات في المدار. عموماً، يوفر العمل خارطة طريق منهجية أولى لفحص الفوتوبوليمرات السائلة لمصانع الفضاء، مقرباً فكرة «الطباعة ثلاثية الأبعاد» للهياكل الكبيرة في فراغ الفضاء خطوة أخرى نحو الواقع.

الاستشهاد: Kringer, M., Pimpi, J., Sinn, T. et al. Screening of liquid photopolymer resins exposed to high-vacuum. npj Adv. Manuf. 3, 5 (2026). https://doi.org/10.1038/s44334-025-00066-5

الكلمات المفتاحية: التصنيع في الفضاء, راتنج فوتوبوليمر, فراغ عالي, انبعاث غازات, هياكل فضائية