Acaba bir karbon atomu yüzünden, dev uzay asansörü çökebilir veya başarısız olabilir mi?

Karbon nanotüpler (KNTler) geleceğin 'harika' çocuğu olacak bir malzeme olarak görülmekteydi ve bu yüzden de belli bir üne sahipti. Çünkü, hem bu kadar hafif hem de süper-güçlü olan bu nano-yapıların yarış bisikletlerinden, bilgisayarların entegre bileşenlerine kadar birçok alanda kullanılabileceği öngörülüyordu ve bu durum için halen çok büyük bir tersi gelişme de yok.

Ne var ki, yeni bir araştırma gösteriyor ki, karbon nanotüplerindeki tek bir 'yerini kaybetmiş' veya başka bir deyişle düzen dışında kalmış atom, bu sağlam yapıların gücünü yarı yarıya hatta daha fazla düşürüyor. Bunun anlamı ise, karbon nanotüp fiberleri ile yapılabilecek sıra dışı hatta bilim-kurgu  uygulaması olan, karbon nanotüplerden 'uzay asansörü' yapımı asla gerçekleşemeyebilir. Tüplerin kuvvetleri, atomik yapılarından veya atomik organizasyonlarından kaynaklanıyor. Duvarları tek atomluk karbon hegzagonal (altıgen) örgü yüzeyden oluşan tüpler üzerinde yapılan teorik çalışmalar tek bir karbon nanotübün çekme direncinin (malzeme iki taraftan çekildiğinde aşınmaya ve kopmaya başladığı kuvvet olarak tanımlanır) 100 cigapaskal (GPa) olduğunu gösteriyor.

Bilinen en güçlü malzemelerden biri olsa da, birden çok nanotübün kullanılabilir büyük ölçekli bir fiber (lif) haline getirilmesi, yalnızca 1 cigapaskal gücünde iplerin yaratılmasını sağlayabiliyor. Bunun sebebini tespit etmek için Hong Kong Polytechnic University'den Feng Ding ve diğer araştırmacılar, tek bir atomu yerinden edilmiş karbon nanotüpleri simüle ederek, iki altıgen yapıdan birini beşgene diğerini de yedigene çevirdi ve tüpte bükülme oluşmasına sebep oldu. Yapılan hesaplara göre, bu tip bir basit değişim bile ideal karbon nanotüp kuvvetinin 40 cigapaskala kadar düşmesine neden oldu. Araştırmacılar bu sonuçlara bakarak, bu bozunmaların sayısı arttıkça daha ciddi kuvvet kayıplarının gerçekleşeceğini öne sürüyorlar.

Çatlak Dizileri

Ekibin oluşturduğu simülasyonlar, bükülme noktalarının tüplerdeki zayıf noktalar olarak rol oynadığını ve güçlü karbon-karbon bağlarının kolayca kırılmasına sebep olduğunu gösteriyor. Bu bir kez gerçekleştiğinde, zincirleme biçimde, komşu altıgenlerdeki bağlar da kırılıyor ve bütün tüp boyunca bir fermuar misali açılma gerçekleşiyor.

Aynı zincirleme etki, birden fazla karbon nanotübün birleşmesinden oluşan fiberlerde de vuku buluyor. Şöyle ki, tek bir karbon nanotübün bu biçimde  kopması diğer lifler üzerindeki gerilimin artmasına sebep oluyor ve yine bir dizi kopma, kırılma reaksiyonu gerçekleşiyor.

Sonuçlar gösteriyor ki, tek bir atomun yerinin kayması, karbon nanotüplerinin ve bunlardan yapılmış ipliklerin tamamının zayıflamasına, dayanıklılığını yitirmesine sebep olabiliyor. Araştırmacılara göre, karbon nanotüplerinin ideal kuvveti olan 100 cigapaskal direnç ancak ve ancak en üst düzey kalitede üretilen tüplerde sağlanabilir. Çok miktarda ve hızlı biçimde üretilen karbon nanotüpleri bu bağlamda yüksek derecede defektif (bozunmuş veya zarar görmüş) olarak elde edilebilirken, yüksek kalitede karbon nanotüplerini büyük ölçeklerde ve çok miktarda üretmek son derece zor bir süreç.

Çok uzun süredir bir bilim-kurgu hayali olan, teorik ve pratik gelişmelerle desteklenmeye çalışılan, Dünya ile bir uydunun arasında bağlantı görevi görecek olan 'bir uzay asansörü inşa etme' fikri bu gelişme ile biraz daha ertelenmiş ve hatta belki de suya düşmüş oldu.

Varsayımlara göre, böyle bir sert kablonun çekme direnci 50 cigapaskal kadar olmalı. Buradan bakıldığında çok güzel bir çözüm yolu olarak görülen karbon nanotüplerin bu çalışma ile -en azından daha iyi karbon nanotüpler sentezlememizi sağlayan yollar geliştirilene kadar- kullanılamaz olduğu görülüyor.

---

Kaynak : Jacob Aron, Carbon nanotubes too weak to get a space elevator off the ground, 13 Haziran 2016, https://www.newscientist.com/article/2093356-carbon-nanotubes-too-weak-to-get-a-space-elevator-off-the-ground/

Makale Referans : ACS Nano DOI: 10.1021/acsnano.6b03231

---