Riassunto:
Per molto tempo, il titanio è stato ampiamente utilizzato nell'ingegneria aerospaziale, navale e in altri campi grazie alla sua elevata resistenza, leggerezza ed eccellente resistenza alla corrosione. Tuttavia, poiché il titanio è più di quattro volte più denso dell’acqua, le persone non hanno mai associato questo metallo al “galleggiante”. Ora, un gruppo di ricerca del Royal Melbourne Institute of Technology (RMIT University) in Australia ha creato con successo una struttura in titanio che può galleggiare sull’acqua e raggiungere una galleggiabilità a lungo termine pur mantenendo un’elevata resistenza.
Ciò che il gruppo di ricerca ha sviluppato è una nuova struttura chiamata "metamateriale galleggiante a reticolo aperto di metallo-polimero". Sebbene il titanio stesso abbia una densità di circa 4,43 grammi per centimetro cubo, che è molto superiore alla densità dell'acqua dolce, che è di circa 1 grammo per centimetro cubo, i ricercatori hanno modificato questa caratteristica attraverso uno speciale design strutturale.
Per ottenere l'effetto fluttuante, i ricercatori hanno utilizzato la tecnologia di stampa 3D per costruire uno scheletro reticolare in lega di titanio Ti-6Al-4V e hanno progettato tutte le travi di supporto che compongono il reticolo in strutture cave. Hanno poi riempito l'interno di questi canali cavi con schiuma poliuretanica leggera. La struttura composita risultante non solo conserva le proprietà meccaniche del metallo titanio, ma raggiunge anche una galleggiabilità stabile.
Durante l'esperimento, i ricercatori hanno scoperto che anche se il materiale si rompeva, le parti di collegamento si rompevano o addirittura parte dello strato reticolare veniva danneggiato nel suo insieme, poteva comunque rimanere galleggiante e non affondare nell'acqua.
Il motivo per cui vengono ricercati materiali con elevata resistenza e galleggiabilità è perché ci sono molte esigenze pratiche nel campo dell'ingegneria navale. Boe, sensori di monitoraggio offshore, piattaforme offshore e varie infrastrutture marine non devono solo resistere al continuo impatto delle onde, ma anche resistere alla corrosione dell'acqua di mare e continuare a mantenere la loro capacità di funzionare nonostante i danni.
Sebbene l'acciaio inossidabile e la plastica ad alta densità attualmente ampiamente utilizzati possano soddisfare alcune esigenze, presentano ancora limiti in termini di resistenza, durata e affidabilità a lungo termine. La stessa lega di titanio ha un'eccellente resistenza alla corrosione e alla fatica, quindi è sempre stata considerata un materiale ideale. Tuttavia, la sua naturale elevata densità ne limita l’applicazione in strutture galleggianti.
I ricercatori hanno affermato che in passato gli esseri umani si affidavano principalmente a due metodi per risolvere il problema del galleggiamento. Il primo consiste nell'utilizzare la struttura cava della nave per avvolgere una grande quantità di aria, mentre il secondo consiste nell'aggiungere materiali a bassa densità, come la schiuma, all'interno dell'attrezzatura per garantire la galleggiabilità. L’aumento delle strutture reticolari metalliche negli ultimi anni fornisce nuove idee per questo problema.
Grazie alla tecnologia di stampa 3D, solo una piccola quantità di metallo può essere utilizzata per costruire un'enorme struttura a rete, ottenendo così un rapporto resistenza/peso estremamente elevato. La densità complessiva di alcuni reticoli metallici è inferiore a un decimo di quella dell'acqua. Tuttavia, tali strutture sono state a lungo poco pratiche per l’uso in ambienti marini perché i loro pori aperti si riempiono rapidamente di acqua di mare, provocandone infine l’affondamento.
La svolta del team di ricerca ha risolto questo problema. Invece di racchiudere l’intero reticolo, hanno semplicemente riempito di schiuma l’interno delle travi di supporto cave in titanio. Ciò non solo consente all'acqua di mare di passare liberamente attraverso la struttura reticolare, ma garantisce anche che la galleggiabilità complessiva esista per un lungo periodo.
Per valutare con maggiore precisione la capacità di galleggiamento di tali strutture, i ricercatori hanno anche proposto una nuova metrica di calcolo: la "densità dello scheletro".
I calcoli tradizionali della densità includeranno tutti gli spazi aperti all'interno del reticolo nell'intervallo di volume, ma questi spazi saranno effettivamente occupati dall'acqua e non contribuiranno alla galleggiabilità. Il nuovo concetto di densità dello scheletro calcola solo le parti che possono veramente respingere l'acqua, comprese le pareti in lega di titanio e le aree riempite di schiuma.
Secondo questa teoria, finché la densità dello scheletro è inferiore alla densità del liquido circostante, l'intera struttura può comunque galleggiare stabilmente anche se un gran numero di aperture esterne consentono il passaggio dell'acqua.
Interessanti anche i risultati dei test delle prestazioni. A parità di densità complessiva, la resistenza di questa nuova struttura galleggiante in titanio è circa il 70% superiore a quella dell’acciaio inossidabile o del polietilene ad alta densità attualmente ampiamente utilizzati nell’ingegneria navale.
Il team di ricerca ha inoltre condotto test di resistenza alla corrosione utilizzando acqua di mare naturale proveniente da Port Phillip, Melbourne. I risultati hanno mostrato che, dopo essere stato immerso nell’acqua di mare per due settimane, il campione ha perso solo circa lo 0,15% della sua massa, mentre la sua forza è diminuita di meno dell’1%, dimostrando un’eccellente adattabilità all’ambiente marino.
Inoltre, i campioni sperimentali hanno galleggiato continuamente in acqua dolce per più di due mesi e sono rimasti stabili per lungo tempo. I ricercatori ritengono che ciò dimostri che la struttura non solo ha capacità teoriche di galleggiamento, ma ha anche potenziale per applicazioni ingegneristiche pratiche.
Il team di ricerca ha affermato che questa è la prima volta al mondo che è stato ottenuto un metamateriale a reticolo misto metallico in grado di galleggiare per un lungo periodo. In futuro, si prevede che questa tecnologia verrà applicata alle boe offshore, alle apparecchiature di monitoraggio degli oceani, agli impianti energetici offshore e a vari tipi di infrastrutture dispiegate per lungo tempo nell’ambiente marino.
Mentre la tecnologia di stampa 3D e l'ingegneria avanzata dei materiali continuano a svilupparsi, si prevede che questo nuovo tipo di "titanio galleggiante" che combina elevata resistenza, resistenza alla corrosione e galleggiabilità sostenuta aprirà nuove possibilità per la futura progettazione dell'ingegneria oceanica.
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