Jak vyrobit kolečka pro ledové světy?

Ozubená kolečka jsou již po celá staletí nedílnou součástí všech možných mechanismů od kapesních hodinek až po mnohatunové těžební stroje. Neobejde se bez nich prakticky žádný robot včetně těch kosmických. Kolečka umožňují provádět jemné a přesně plánované pohyby, které je možné velmi rychle zastavit. Je jasné, že nekvalitní kolečka toho tolik nevydrží – mohou se třepit, praskat, nebo lámat. Když má váš robot odebrat vzorek mimozemského materiálu, nebo se zachytit za výstupek, nemůžete do něj dát obyčejné součástky z obchodu pro kutily.

To samozřejmě moc dobře vědí i odborníci z NASA. V kalifornské Jet Propulsion Laboratory se tomuto problému věnuje technolog Douglas Hofmann a tým jeho spolupracovníků. Jejich cílem je vyvinout lepší ozubená kolečka pro budoucí mise – na první pohled drobnost, ale ve skutečnosti je celá kosmonautika závislá na drobnostech, což se většinou ukáže až při vyšetřování nejrůznějších havárií. Ale zpět do JPL – Douglas Hofmann v poslední době publikoval dvě studie, ve kterých rozebírá možnost výroby koleček pro kosmické roboty z materiálu označovaného jako BMG (bulk metallic glass). Česky bychom tento materiál mohli pojmenovat jako metalické sklo, což je snadno vyrobitelná slitina, která může být ideální pro výrobu koleček.

Metalické sklo na bázi titanu

Metalické sklo na bázi titanu
Zdroj: http://thefutureofthings.com/

„Ačkoliv výzkumy BMG probíhají už dlouho, ukázalo se, že výzkum, jak je implementovat do strukturálních dílů zůstával nepodchycen,“ vysvětluje Hofmann a dodává: „Náš tým výzkumníků a inženýrů z JPL společně se skupinami z Caltechu a univerzity v San Diegu konečně provedl nezbytné testy koleček z BMG a ukázal jejich potenciální výhody pro sondy NASA. Tyto materiály mohou být ideálním řešením pro pohyb v drsných prostředích jako je třeba povrch jupiterova měsíce Europa.“

Metalické sklo není žádný tajemný hybridní materiál tvořený napůl sklem a napůl kovem. Tajemství se ukrývá ve vnitřní struktuře materiálu, tedy v uspořádání atomů. Kovy se vyznačují tím, že jejich atomy jsou organizovaně složené do krystalických mřížek. Ovšem pokud je zahřejeme a roztavíme, krystalická struktura zmizí a v tekutině budou náhodně „rozházené“ atomy. Pokud tuto taveninu velmi, ale opravdu velmi rychle a výrazně zchladíme (bavíme se o rozdílu cca. 1000°C za jedinou sekundu), zůstanou atomy i v pevném skupenství v „rozptýleném“ stavu, který měly v kapalné fázi.

BMG = bulk metallic glass

BMG = bulk metallic glass
Zdroj: https://upload.wikimedia.org

Tento postup dává vzniknout materiálům s náhodným uspořádáním atomů, bavíme se o nektrystalické, nebo též amorfní mikrostruktuře. Právě toto atomární uspořádání dává těmto materiálům jejich běžné jméno – říká se jim buďto amorfní materiály, nebo metalická skla. Díky mimořádně prudkému zchlazení je materiál technicky vzato velmi podobný sklu. Po zahřátí snadno tečou a mohou být vyfouknuty do forem, nebo vytvořit pláty podobné okenním tabulkám. Pokud tyto materiály vytváří díly větší, než 1 milimetr, přidává se k anglickému označení metallic glass ještě slovo bulk (česky objem, množství, velikost) a z toho již pochází zkratka BMG.

Kolečka z BMG nekřehnou ani při velmi nízkých teplotách

Kolečka z BMG nekřehnou ani při velmi nízkých teplotách
Zdroj: https://www.nasa.gov/

Metalická skla spatřila světlo světa poprvé v roce 1960 na Kalifornském technologickém institutu. Od té doby se jejich výroba rozšířila do mnoha oblastí od mobilních telefonů až po golfové hole. Mezi výhody metalických skel patří třeba nízký bod tání. Díky tomu je možné vyrábět díly pomocí injektáže do forem, což je proces, který se používá třeba při výrobě plastových dílů. Oproti nim ale mají metalická skla mnohem větší pevnost a odolnost proti opotřebení. Nespornou výhodou BMG je, že nekřehnou ani při extrémně nízkých teplotách. Právě křehnutí způsobuje, že se běžným kolečkům odlamují zuby. Díky této vlastnosti mají BMG otevřenou cestu k robotům, které vznikají v JPL.

Kolečka z BMG bez problémů fungují nejen v nízkých teplotách, ale nedělá jim problém ani chod nasucho, tedy bez dodatečných mazadel. Dosavadní zkoušky ukázaly, že tato kolečka odolávají silnému pnutí a přitom se snadno otáčí bez jakéhokoliv lubrikantu a to i při teplotách -200°C, kde už bývají problémy nejen s materiálem koleček, ale i se sehnáním potřebného mazadla. Pro roboty, kteří budou zkoumat zmrzlé povrchy kosmických těles to může být nesporná výhoda. Například vozítko Curiosity musí využít poměrně velké množství energie, aby prohřálo mazadlo v okolí koleček, kdykoliv se má rover pohnout. A to jsou na Marsu stále příhodné teploty ve srovnání s jinými světy, které bychom jednou rádi prozkoumali.

„To, že můžeme ovládat ozubená kolečka i při nízkých teplotách, které panují na ledových měsících, třeba Europě, je pro vědce skutečným přelomovým bodem,“ popisuje R. Peter Dillon, technolog a programový manažer skupiny materiálového vývoje a výrobních technologií při JPL a dodává: „Energie ve formě tepla už nemusí být vypouštěna pryč od vědeckých přístrojů, aby ohřála mazivo v převodovce, což ušetří cennou kapacitu baterií.“

Strain wave gear - velmi komplikovaný díl

Strain wave gear – velmi komplikovaný díl
Zdroj: https://www.nasa.gov

Druhá studie z dílny Douglase Hofmanna se týká otázky, jak s využitím BMG snížit náklady na mechanismus označovaný jako strain wave gears, tedy harmonické (vlnové) převodovky. Tento typ ozubených kol obsahuje kovový prstenec, který se ohýbá podle toho, jak se kolo otáčí. V drahých robotech je tato součástka téměř všudypřítomná a přitom je složité dosáhnout její masové produkce.

Využití BMG by znamenalo, že tato kola mohou pracovat i při nízkých teplotách, ale navíc by se dala vyrábět za zlomek ceny současných ocelových verzí aniž bychom museli obětovat spolehlivost. I v tomto případě se jedná o zlomový bod ve vývoji tohoto typu kol, které často patří mezi nejdražší díly. „To platí především pro humanoidní roboty, kde jsou tato drahá kola v kloubech nutná, aby se předešlo chvění paží. Správná funkce i za nízkých teplot je výhodou pro sondy a rovery od JPL,“ popisuje Hofmann.

Zdroje informací:
https://www.nasa.gov/
http://scienceandtechnology.jpl.nasa.gov/

Zdroje obrázků:
https://s-media-cache-ak0.pinimg.com/…/c351ab4b9db84d85a8d4f2796c32caba.jpg
http://thefutureofthings.com/upload/items_icons/Titanium-Based-Metallic-Gla_large.jpg
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e6/Bulk_Metallic_Glass_Sample.jpg
http://scienceandtechnology.jpl.nasa.gov/metallurgy-facility
https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/gears_secondary.jpg

Pin It
Nahlásit chybu

Hlášení chyb a nepřesnostíClose

GD Star Rating
loading...
Níže můžete zanechat svůj komentář.

Více se o tomto tématu dočtete zde »
(odkaz vede na příslušné vlákno diskuzního fóra www.kosmonautix.cz)


27 komentářů ke článku “Jak vyrobit kolečka pro ledové světy?”

  1. gg napsal:

    „Tajemství se ukrývá ve vnitřní struktuře uspořádání atomů.“

    To je podle mě docela dvojznačná věta a její intuitivnější interpretace je asi ta, kterou právě nechcete. 🙂

  2. Cx napsal:

    „ohřála mazivo v převodovce, což ušetří cennou kapacitu baterií.“

    Kdekoli za Marsem nemůže být o bateriích ani řeč. Juno možná poletuje se solárními panely a bateriemi, ale u Jupitera by to robot na povrchu nějakého měsíce jen s touto kombinací nedal.

    Ale to je detail, počin to je moc pěkný. Pro mnoho lidí jsou to rakety, co je láká k vesmíru, ale pro mě to jsou právě tyhle detaily.

  3. Pospíšil napsal:

    Strain wave gear se v češtině označuje jako „harmonická (vlnová) převodovka“. Je to velmi výhodný typ převodu, kde se vyžaduje vysoký převodový poměr, ale zároveň nízká hmotnost, kompaktní rozměry a přenos pouze nižších krouticích momentů. Spolu s klasickými planetovými převodovkami jedna z nejpoužívanějších převodovek v kosmonautice.

    • Dušan Majer napsal:

      Díky za vysvětlení a český ekvivalent. Při psaní jsme se jej snažil hledat, leč neúspěšně. Doplněno do článku.

    • Vlastimil Pospíchal napsal:

      Vypadá to velmi hezky, ale v dnešní době bych spíš hledal cestu přes mnohopólový krokový motor, který by odvedl stejnou práci s menším možstvím pohyblivých dílů a tedy s vyšší spolehlivostí.

      • Vojta napsal:

        Čím víc má motor pólů, tím je při stejném výkonu větší a těžší. Kombinace menšího motoru s převodovkou často vychází lépe. Zvlášť na nějaká robotická ramena, která mají rozsah třeba půl otáčky a potřebují velký kroutící moment a krokování po velmi malých úhlech.

  4. Jaroslav Alois napsal:

    Právě pro tyto komplikace je kosmonautika na špici vývoje. Obdobná prostředí se na Zemi nevyskytují a nic by obdobně netlačilo vývoj vpřed. Je obdivuhodné jaké problémy musí konstruktéři řešit, o to více udivuje dlouhodobá životnost řady sond jak na povrchu kosmických těles, tak na jejich orbitách i v hlubokém kosmu.

  5. hansnasa napsal:

    Výborný článek se zajímavou tématikou.Nové materiály,technologie,pohony,možná náměty na nějaký pravidelný seriál? Díky

  6. vitusek napsal:

    Často se mi stává,že lidé co se o kosmonautiku nezajímají mi kladou otázku na co že vlastně ta kosmonautika je.Co to stojí peněz.Tak tady mají odpověď.Jedno zrnko významu kosmonautiky pro lidstvo a jeho pokrok.

    • Vlastimil Pospíchal napsal:

      Kosmonautika je druhem základního výzkumu. Jeho výsledky se dostávají do praxe za cca 30 let. Tak daleko dnes nevidíme.

      První tranzistor také vypadal vedle elektronky směšně a měl velmi mizerné parametry. Kdo by takový nesmysl chtěl používat?

      • vitusek napsal:

        V našem mozku žádná kolečka nejsou a přes to se neustále musí“mazat“.Tahle kolečka se mazat nebudou muset..No není to legrace?

  7. B.Boruvka napsal:

    Diky za clanek!
    A diky za nove informace o prevodech! Vlnovou prevodovku jsem neznal ale ted ji zakomponuju do nejakeho modelu;-)

  8. Jiří Kos napsal:

    Pane Majere, denně jeden až tři články,každý zajímavý a každé obvykle z úplně jiné oblasti. Máte můj obdiv, ale ptám se: máte vůbec nějaký osobní život? Pozor na přehřátí a držím palce.

    • jregent napsal:

      uzasne zajimavy clanek, diky:-)

    • Dušan Majer napsal:

      Velmi mne těší, že se lidem náš web líbí a že na něj rádi chodí. To mi dodává energii. Velkou oporu mám i v velké redakci a samozřejmě v rodině. Osobní život pochopitelně mám – děláme třeba živě vysílání z hokeje, nebo hraju malou kopanou. .-)

      • zvejkal napsal:

        Zdravim – Co je to „mala kopana“ ? To ako na malom ihrisku, resp. v telocvicni?

        • Dušan Majer napsal:

          Je to sport, který je velmi podobný fotbalu, hraje se na vnějším hřišti, které svými rozměry odpovídá cca. 1/4 klasického fotbalového hřiště. Tým tvoří 5 hráčů v poli + brankář. Branky se svými rozměry podobají spíše házenkářským a střídat se může libovolněkrát, ale vždy jen při přerušené hře. Přikládám odkaz na web jihlavské malé kopané, kde jsou k dispozici i pravidla.

  9. petr napsal:

    Zdá se mi podivné, že mezi hlavní výhody kovových skel je uváděn nízký bod tání a snadná tekutost po zahřátí. Pokud uděláte z kovu taveninu, docela by mne překvapilo, kdyby viskozita výrazně závisela na struktuře materiálu před roztavením. A hlavně pokud takový materiál zahřejete, tak rekrystalizuje. Aby to teklo, musí být atomy volně pohyblivé a jsou-li atomy volně pohyblivé, tak se při ochlazení poskládají do stabilní (krystalické) struktury. Jedině, že bychom ho ochladili opravdu rychle, ale to jde jen u malého objemu a taky je pak jedno jestli to před roztavením byl kov nebo kovové sklo.

    • Dušan Majer napsal:

      Vidím to podobně, ale myslím, že právě proto si na tom tak dali záležet aby se jim podobná výroba dařila.

    • Honza napsal:

      Zdá se, že to funguje tak, že není jen skupenství kov/tavenina, ale když se zahřeje kov s amorfní strukturou, tak prostě změkne podle míry zahřátí, jako sklo. Kdybyste ho úplně roztavil, tak určitě zkrystalizuje, ale pokud jen umožníte snadné přeskupování atomů, ovšem ne natolik volné, aby mohli získávat ideální strukturu, tak to natlačíte do formy při teplotě značně nižší, než je teplota tání krystalu, a neztratíte amorfní strukturu. Nejsem si vůbec jistý, jestli u amorfní látky jde definovat teplota tání…

Zanechte komentář