چرا موتور هواپیما ذوب نمی‌شود و در دمای جهنمیِ ۱۶۰۰ درجه سالم می‌ماند؟

ایران پرسمان - زومیت / درون موتور جت، فلز در دمایی کار می‌کند که صدها درجه از نقطه ذوبش داغ‌تر است. این تناقض مهندسی چگونه حل می‌شود؟
وقتی در ارتفاع بیش‌از 10 کیلومتر با آرامش به صندلی هواپیما تکیه داده‌اید، درست زیر پای شما نبردی تمام‌عیار میان فیزیک و مهندسی در جریان است. موتورهای جت امروزی در شرایطی کار می‌کنند که روی کاغذ غیرممکن به نظر می‌رسد.
بازار

دمای محفظه‌ی احتراق و توربین‌ها گاهی از 1600 درجه‌ی سانتی‌گراد نیز فراتر می‌رود؛ درحالی‌ که پیشرفته‌ترین سوپرآلیاژهای موجود، در حدود 1350 درجه ذوب می‌شوند؛ بنابراین فلز باید در محیطی کار کند که صدها درجه از نقطه‌ی ذوبش داغ‌تر است؛ درست مثل‌اینکه بخواهید داخل قابلمه‌ای از جنس یخ، آتشی عظیم روشن کنید و انتظار داشته باشید یخ دوام بیاورد!
موتورهای جت به‌لطف یک «شعبده‌بازی اتمی» زنده‌اند. داستان فراتر از یک فلز محکم و درباره‌ی خلق موادی است که رفتاری وارونه دارند و برخلاف تمام عناصر طبیعت، هرچه داغ‌تر شوند، قوی‌تر می‌شوند.
مهندسان تیغه‌های توربین را نه به روش معمول؛ بلکه مثل یک جواهر به‌صورت «تک‌کریستال» و بدون هیچ درز و شکافی رشد می‌دهند. این قطعات هوشمند، پوششی از جنس سرامیک به تن دارند و با هزاران سوراخ نامرئی، پیله‌ای از هوای خنک دور خود به‌وجود می‌آورند تا آتش را فریب دهند.
توجه داشته باشید که دشمن اصلی همیشه آتش نیست؛ گاهی ذرات معلقِ در هوا درون این کوره به «شیشه‌ی مذاب» تبدیل می‌شوند تا راه تنفس موتور را ببندند. فکر می‌کنید مهندسان چگونه با دست‌کاری آرایش اتم‌ها و ساخت دژهای میکروسکوپی، بر این جهنمِ مهندسی‌شده غلبه می‌کنند؟
موتور جت چگونه نفس می‌کشد؟
برای درک بهتر معضل حرارت، ابتدا باید بفهمیم موتور جت اصلاً چرا و طی چه فرایندی داغ می‌شود. سازه‌ای که زیر بال هواپیما می‌بینید، صرفاً یک دستگاه ساده‌ی فلزی نیست و از مجموعه‌ای از بخش‌های پیچیده و چندلایه تشکیل می‌شود که در کنار هم «توربوفن» را می‌سازند.
در قسمت جلویی موتور، فن عظیمی دیده می‌شود؛ قطعه‌ای که در بعضی مدل‌ها قطرش به‌بیش از سه متر می‌رسد و با چرخش خود حجم بزرگی از هوا را وارد موتور می‌کند؛ اما نکته‌ی کلیدی که بسیاری از مردم نمی‌دانند، این است که سرنوشت هوای ورودی به موتور بلافاصله به دو مسیر جداگانه‌ی Bypass و Core تقسیم می‌شود.
مسیر کنارگذر (Bypass): حدود 90 درصد از هوایی که توسط فن مکیده می‌شود، اصلاً وارد بخش داخلی و داغ موتور نمی‌شود. این هوا صرفاً به‌کمک فن شتاب می‌گیرد، از اطراف هسته‌ی مرکزی عبور می‌کند و از انتهای موتور خارج می‌شود. در واقع، فن مثل یک ملخ بسیار پیشرفته و پوشیده‌شده عمل می‌کند. در هواپیماهای مسافربری امروزی، بیش‌از 80 درصد نیروی رانش (Thrust) را همین هوای سرد Bypass تأمین می‌کند، نه آتش خروجی از اگزوز!
مسیر هسته‌ی موتور (Core): 10 درصد باقی‌مانده، وارد «هسته‌ی» موتور می‌شود. ابتدا هوا وارد بخش کمپرسور می‌شود؛ جایی‌ که ردیف‌های متوالی تیغه‌های کوچک و سریع، هوا را مرحله‌به‌مرحله فشرده می‌کنند. شدت این فشرده‌سازی به‌قدری بالاست که فشار هوا در انتهای کمپرسور می‌تواند به حدود 50برابر اتمسفر برسد.
در موتورهای مدرن، 80 درصد نیروی رانش توسط هوای سرد بای‌پس تأمین می‌شود
طبق قوانین ترمودینامیک، وقتی گازی را به‌شدت فشرده می‌کنید، دمای آن به‌طور چشم‌گیری بالا می‌رود. به همین دلیل حتی قبل از تزریق قطره‌ای سوخت، دمای هوای فشرده‌شده تا حدود 600 درجه‌ی سانتی‌گراد افزایش می‌یابد.
هوای داغ و فشرده وارد «محفظه‌ی احتراق» می‌شود؛ جایی که سوخت جت (شکلی از نفت سفید) با فشار بالا به داخل هوای داغ اسپری شده و مشتعل می‌شود و انفجاری کنترل‌شده و مداوم رخ می‌دهد. دما در این نقطه به‌یکباره به حدود 1500 درجه‌ی سانتی‌گراد یا حتی بیشتر افزایش می‌یابد. حالا ما گاز بسیار داغ، پرفشاری و با انرژی عظیم داریم که می‌خواهد با شدت خارج شود.
گاز داغ و فشرده برای خروج، مجبور است از میان پره‌های «توربین» عبور کند. توربین شبیه آسیاب بادی است، گاز داغ به پره‌های توربین برخورد می‌کند و آن‌ها را می‌چرخاند. توربین باید انرژی گاز را بگیرد و به نیروی چرخشی تبدیل کند. این نیرو از طریق شفت مرکزی به جلوی موتور منتقل می‌شود تا کمپرسور و فنِ غول‌پیکر جلویی را بگرداند. در نهایت، گاز از نازل عقب خارج می‌شود و مقداری رانش اضافی تولید می‌کند.
چرا فنِ بزرگ؟ منطق فیزیکی رانش
چرا مهندسان موتور هواپیماهای مسافربری را تا این اندازه بزرگ طراحی می‌کنند؟ چرا موتور به یک لوله‌ی باریک و پرسرعت شبیه موتورهای جنگنده محدود نمی‌شود؟ دلیل چنین تفاوتی را باید در رابطه میان انرژی و تکانه جست‌وجو کرد.
نیروی رانش بر پایه‌ی تغییر تکانه تولید می‌شود؛ یعنی حاصلِ جرم هوا ضرب‌در سرعت آن (m×v)؛ اما هزینه‌ای که برای ایجاد این رانش پرداخت می‌کنیم؛ همان سوختی که موتور می‌سوزاند، مستقیماً با توان دوم سرعت نسبت دارد (v^2).
به‌بیان ساده، اگر بخواهید نیروی رانش را با دو برابر کردن سرعت خروج هوا (2v) دو برابر کنید، باید چهار برابر انرژی (4v^2) مصرف کنید؛ اما اگر همان نیرو را با دو برابر کردن جرم هوا (2m) به‌دست بیاورید، انرژی مصرفی فقط دو برابر می‌شود.
موتور هواپیما غول‌پیکر است؛ چون جابه‌جایی حجم انبوهی از هوا به‌صرفه‌تر از افزایش سرعت آن است!
از نظر اقتصادی و مصرف سوخت، «راندنِ حجم زیادی هوا با سرعت کم» بسیار به‌صرفه‌تر از «راندن حجم کمی از هوا با سرعت زیاد» است. فن‌های بزرگ جلوی موتور دقیقاً برای همین کار ساخته شده‌اند: جابه‌جایی حجم انبوهی از هوا با کمترین هزینه.
معمای کارنو: چرا موتور را سردتر نمی‌سازیم؟
اگر فنِ بزرگ و هوای سرد بای‌پس این‌قدر کارآمد است و 80 درصد کار را انجام می‌دهد، چرا اصلاً خودمان را با دمای 1500 درجه در هسته‌ی موتور درگیر می‌کنیم؟ چرا موتور را سردتر طراحی نمی‌کنیم تا فلزات ذوب نشوند؟
پاسخ این سؤال به اصلی برمی‌گردد که سادی کارنو (Sadi Carnot)، فیزیک‌دان فرانسوی قرن نوزدهم کشف کرد. طبق قانون بازده حرارتی کارنو که هنوز هم بر تمام موتورهای حرارتی جهان حکم‌فرماست؛ توانایی یک موتور برای تبدیل گرما به کار مفید، مستقیماً به اختلاف دمای منبع گرم (داخل موتور) و منبع سرد (هوای بیرون) بستگی دارد.
طبق قانون کارنو برای بازدهی بیشتر، چاره‌ای نداریم جز اینکه دمای درون موتور را به حداکثر برسانیم
هرچه گاز ورودی به توربین داغ‌تر و هوای خروجی سردتر باشد، بازده موتور بیشتر می‌شود و می‌توانیم انرژی بیشتری از هر قطره سوخت بیرون بکشیم. اگر دمای داخل موتور را پایین بیاوریم، بازدهی موتور کاهش می‌یابد.
مهندسان هوافضا برای اینکه هواپیما بتواند مسافت‌های طولانی را طی کند و ایرلاین‌ها ورشکست نشوند، دو اهرم برای افزایش این اختلاف دما دارند:
منبع سرد: پرواز در ارتفاعات بالاتر، جایی که دمای هوا تا منفی 55 درجه‌ی سانتی‌گراد کاهش می‌یابد.
منبع گرم: بالابردن دمای احتراق تا بالاترین حد ممکن.
همین نیاز اقتصادی و زیست‌محیطی به بازدهی بالاتر، مهندسان را مجبور کرد که دمای درون موتور را پله‌پله بالا ببرند، تا جایی که از نقطه‌ذوب فلزات عبور کردند. برای همین امروز مردم عادی هم می‌توانند بلیت هواپیما بخرند.
در دهه‌ی 1950، زمانی که موتورها خنک‌تر و کم‌بازده‌تر بودند، قیمت بلیت‌ها بسیار بالا بود و پرواز، تفریحی مختص قشر ثروتمند به‌شمار می‌رفت. مهندسان یا باید چالش گرما را حل می‌کردند یا احتمالاً صنعت هوانوردی متوقف می‌شد.
جهنم مهندسی‌شده: شرایط کاری تیغه‌ توربین
بیایید کمی دقیق‌تر به قهرمانان خاموش داستان نگاه کنیم: تیغه‌های توربین فشار بالا (HP Turbine Blades). تیغه‌ها‌ی HP اولین ردیف‌هایی هستند که به‌طور مستقیم در برابر شعله‌ی خروجی از محفظه‌ی احتراق قرار می‌گیرند. شرایط کاری این قطعات کوچک که شاید اندازه‌ی کف دست باشند؛ فراتر از حد تصور است.
تیغه‌های فشار بالا در جریانی از گاز غوطه‌ورند که دمای آن می‌تواند به 1600 درجه‌ی سانتی‌گراد برسد. در این دما، فلز دیگر سرخ نیست؛ بلکه به رنگ زرد و سفید درخشان درمی‌آید و مثل موم نرم می‌شود.
توربین با سرعت بسیار بالایِ 12,500 دوربردقیقه می‌چرخد. در این سرعت چرخش، نیروی جانب مرکز وحشتناکی به هر تیغه وارد می‌شود که می‌خواهد آن را از ریشه بکند و به بیرون پرتاب کند. محاسبات نشان می‌دهد که هر تیغه‌ی کوچک، نیرویی معادل کشش وزنی حدود 20 تن را تحمل می‌کند.
هر تیغه‌ی کوچک توربین، نیروی جانب‌مرکزی معادل وزن دو اتوبوس دوطبقه را تحمل می‌کند
برای تجسم اندازه‌ی نیروی واردشده به تیغه‌ها، تصور کنید یک‌تیغه‌ی کوچک فلزی دارید و دو اتوبوس دوطبقه‌ی لندن را که پر از مسافر هستند، به نوک آن آویزان می‌کنید. تیغه باید درحالی‌که دمایش نزدیک به نقطه‌ی ذوب است، وزن این دو اتوبوس را تحمل کند، کِش نیاید و کنده نشود.
نوک تیغه‌ها با سرعتی نزدیک به 1900 کیلومتر بر ساعت حرکت می‌کند و محیط شیمیایی بسیار خشنی نیز پیرامون آن وجود دارد؛ هوای داخل موتور پُر از اکسیژن داغ است که هر فلزی را به‌سرعت اکسید و پودر می‌کند. ذرات ریز شن و آلودگی نیز وارد موتور می‌شوند که مثل کاغذ سنباده روی سطح تیغه‌ها کشیده می‌شوند.
عمر موتور، ایمنی پرواز و تمام محاسبات اقتصادی ایرلاین‌ها، به این بستگی دارد که آیا تیغه‌های کوچک فلزی موتور هواپیما در شرایط خاص حرارتی و مکانیکی تسلیم می‌شود یا مقاومت می‌کند.
چرا فقط فلز را عوض نمی‌کنیم؟ داستان شکست فولاد
در دهه‌ی 1940، زمانی که پیشگامانی مثل فرانک ویتل اولین موتورهای جت را طراحی می‌کردند، چاره‌ای جز استفاده از بهترین فولادهای موجود نداشتند؛ اما عمر موتورها بسیار کوتاه بود؛ گاهی فقط 10 تا 20 ساعت کار می‌کردند و بعد پره‌ها دفرمه می‌شدند یا می‌شکستند. چرا؟
برای پاسخ به چرایی کوتاه‌بودن عمر فلز، باید وارد آزمایشگاه علم مواد شویم و آزمایشی فرضی اجرا کنیم؛ تصور کنید یک «دستگاه تست کشش» داریم و میله‌ای از جنس فولاد معمولی را درون دستگاه می‌گذاریم. دستگاه دو سر میله را می‌گیرد و با نیرویی ثابت شروع به کشیدن می‌کند؛ تنش کششی حدود 200 مگاپاسکال شبیه نیروی جانب‌مرکز موتور جت.
سناریوی اول، دمای اتاق (25 درجه‌ی سانتی‌گراد): در دمای اتاق، اتم‌های فولاد محکم سر جایشان نشسته‌اند. وقتی دستگاه میله را می‌کشد، فولاد کمی طولش زیاد می‌شود؛ اما رفتار آن «الاستیک» (کشسان) است؛ بدین‌مفهوم که مثل یک فنر سفت عمل می‌کند؛ اگر نیرو را بردارید، به حالت اول برمی‌گردد؛ فولاد در این دما به‌راحتی نیرو را تحمل می‌کند.
سناریوی دوم، دمای بالا (600 درجه‌ی سانتی‌گراد و بیشتر): حالا کوره را روشن می‌کنیم و دمای اطراف میله را بالا می‌بریم. وقتی از 500 یا 600 درجه عبور می‌کنیم، بدون اینکه تنش کششی را زیاد کرده باشیم، اتفاق عجیبی می‌افتد؛ طول میله‌ی فولادی شروع به‌ افزایش‌یافتن می‌کند؛ برخلاف حالت قبل، این تغییر شکل برگشت‌پذیر نیست. میله کِش می‌آید و آرام‌آرام باریک می‌شود.
مهندسان پدیده‌ی تغییر طول برگشت‌ناپذیر میله را «خزش» (Creep) می‌نامند. خزش به‌مفهوم تغییر شکل دائمی و کُند مواد جامد تحت یک نیروی ثابت در دمای بالا است و قاتل خاموش قطعات در دمای بالا به‌حساب می‌آید.
خزش، قاتل خاموش فلزات است؛ وقتی اتم‌ها زیر بار ثابت و گرمای زیاد، شروع به سُر خوردن می‌کنند
در سطح اتمی چه اتفاقی می‌افتد؟ در ساختار کریستالیِ همه‌ی فلزات، نقص‌هایی وجود دارد که به آن‌ها «نابه‌جایی» (Dislocation) می‌گویند. این نابه‌جایی‌ها مثل چین‌خوردگی‌های روی یک فرش هستند. اگر بخواهید فرش سنگینی را جابه‌جا کنید، هل‌دادنش کار سختی است؛ اما اگر یک چین‌خوردگی (شبیه موج) ایجاد کنید و آن را هل دهید، فرش راحت‌تر جابه‌جا می‌شود.
در دمای پایین، نابه‌جایی‌ها گیر کرده‌اند و حرکت نمی‌کنند؛ اما گرما به اتم‌ها انرژی می‌دهد و این چین‌خوردگی‌ها شروع به لغزیدن می‌کنند. حرکت میلیاردها نابه‌جایی باعث می‌شود لایه‌های اتمی روی هم سُر بخورند و فلز تغییر شکل دهد.
نابجایی‌ها در سطح کریستالی فولاد
در آزمایش ما، وقتی دما به حدود 700 درجه‌ی سانتی‌گراد می‌رسد، فولاد دیگر مقاومت خود را از دست می‌دهد. وسط میله باریک می‌شود (پدیده‌ای به‌نام Necking) و ناگهان با صدایی بلند می‌شکند؛ اینجا بود که مهندسان به‌جای فولاد سراغ تیتانیوم رفتند.
تیتانیوم فوق‌العاده سبک و محکم است؛ اما نقطه‌ضعف بزرگی دارد؛ در دماهای بالای موتور جت، به‌شدت با اکسیژن واکنش می‌دهد. در واقع در آن جهنم حرارتی، تیتانیوم یا آتش می‌گیرد یا ترد و شکننده می‌شود و مثل شیشه می‌شکند.
بیشتر فلزات جدول تناوبی همین مشکل را دارند؛ یا ذوب می‌شوند یا اکسید، یا تحت پدیده‌ی خزش مثل خمیر وا می‌روند. اواسط قرن بیستم مهندسان با چالشی عمیق مواجه بودند. آن‌ها برای دماهای بالاتر، به ماده‌ای نیاز داشتند که در طبیعت وجود نداشت.
تولد سوپر آلیاژهای نیکل
راه‌حل بن‌بست موجود، اختراع دسته‌ای جدید و شگفت‌انگیز از مواد بود که به آن‌ها سوپرآلیاژهای پایه‌ی نیکل (Nickel-based Superalloys) می‌گویند.
چرا نیکل؟ نیکل ذاتاً فلزی است که مقاومت خوبی در برابر گرما و زنگ‌زدگی دارد؛ اما به‌تنهایی برای تحمل شرایط موتور جت کافی نیست. متالورژیست‌ها ابتدا کروم و کبالت را با نیکل ترکیب کردند تا مقاومت در برابر خوردگی را بالا ببرند؛ اما پیشرفت اصلی زمانی رخ داد که دو عنصر آلومینیوم و تیتانیوم به آلیاژ اضافه شد.
وقتی مقدار مشخصی آلومینیوم به نیکل مذاب اضافه شده و سرد شود، ساختار میکروسکوپی بسیار خاصی شکل می‌گیرد. بیایید با یک تشبیه به داخل ساختار اتمی این آلیاژ سفر کنیم.
برخلاف تمام مواد طبیعی، سوپرآلیاژهای نیکل با گرم‌تر شدن، قفل می‌شوند و ساختارشان مستحکم‌تر می‌شود
تصور کنید ساختار اتمی فلز مثل نقشه‌ی یک شهر است؛ در یک فلز معمولی، خیابان‌ها و بلوک‌ها وجود دارند؛ اما نظم خیلی دقیقی ندارند. «نابه‌جایی‌ها» مثل ماشین‌هایی هستند که می‌خواهند در شهر حرکت کنند. وقتی فلز گرم می‌شود، راه‌ها باز می‌شود و ماشین‌ها راحت حرکت می‌کنند. حرکت ماشین‌ها یعنی تغییر شکل فلز، خزش و خم‌شدن.
در سوپرآلیاژ نیکل، با اضافه‌شدن آلومینیوم، دو منطقه یا فاز متفاوت در شهر شکل می‌گیرد:
فاز گاما (γ): این همان بافت قدیمی و نامنظم شهر است (کوچه‌پس‌کوچه‌ها). اتم‌های نیکل در اینجا زمینه را می‌سازند.
فاز گاما پرایم (γ" alt="ایران پرسمان" width="100%" />

فاز «گاما پرایم» ساختار کریستالی بسیار خاص و منظمی دارد (معمولاً به شکل مکعب). اتم‌های نیکل و آلومینیوم در این فاز در جاهای بسیار دقیقی نشسته‌اند و اصلاً دوست ندارند جابه‌جا شوند. مکعب‌های گاما پرایم، در سرتاسر فلز پخش می‌شوند و سد راه نابه‌جایی‌ها می‌شوند.
گفتیم «نابه‌جایی‌ها» یا همان چین‌خوردگی‌ها عامل تغییر شکل و خزش هستند. وقتی یک نابه‌جایی می‌خواهد حرکت کند، به دژهای مستحکم گاما پرایم برخورد می‌کند. ورود به دژ سخت است چون نظم اتم‌ها را به هم می‌زند. برای عبور از مانع، نابه‌جایی‌ها مجبورند رفتار عجیبی نشان دهند؛ آن‌ها باید «جفت» شوند و متصل‌به‌هم هم حرکت کنند. اولی نظم را به هم می‌زند و دومی بلافاصله پشت سرش نظم را درست می‌کند. این هماهنگی انرژی بسیار زیادی می‌طلبد.
ساختار اتمی گاما پرایم، جلوی لغزش و تغییر شکل فلز در دمای بالا را می‌گیرد
نتیجه‌ی چنین مهندسی پیچیده‌ای، چیزی است که با عقل جور در نمی‌آید؛ برخلاف تمام مواد دیگر که با گرم‌شدن نرم و ضعیف می‌شوند، سوپرآلیاژهای نیکل در بازه‌‌ی دمایی 700 تا 900 درجه‌ی سانتی‌گراد با گرم‌تر شدن، قوی‌تر و سخت‌تر می‌شوند! در واقع گرما باعث می‌شود قفل‌شدن نابه‌جایی‌ها شدیدتر شود.
حالا اگر همان آزمایش کششِ بخش قبلی با سوپرآلیاژ نیکل را تکرار کنیم، با تفاوت قابل‌توجهی مواجه می‌شویم. وقتی دما را به 800، 900، 1000 و حتی 1199 درجه‌ی سانتی‌گراد می‌رسانیم، آلیاژ به رنگ زردِ درخشان می‌آید؛ اما همچنان استوار می‌ایستد. این همان ماده‌ای بود که مهندسان برای ساخت موتور جت نیاز داشتند.
مهندسان عناصر نادری مثل رنیوم را نیز به آلیاژ اضافه کردند. رنیوم اتمی بزرگ و سنگین است، مثل‌اینکه کامیون‌های بزرگ و کندی را وارد ترافیک شهر کنیم که راه را بند بیاورند. اتم‌های رنیوم جلوی نفوذ و حرکت بقیه اتم‌ها را می‌گیرند و مقاومت در برابر خزش را باز هم بیشتر می‌کنند.
نکته‌ی جالب اینکه صنعت موتور جت به‌قدری به رنیوم وابسته است که حدود 80 درصد کل رنیوم استخراج شده در جهان، فقط در ساخت پره‌های توربین مصرف می‌شود.
انقلاب کریستالی: حذف مرزها
باوجود اختراع سوپرآلیاژهای نیکل، هنوز مشکل بزرگی به‌نام مرز دانه‌ها (Grain Boundaries) وجود داشت. هر قطعه‌ی فلزی که به‌روش سنتی ریخته‌گری شود، از میلیون‌ها کریستال کوچک میکروسکوپی تشکیل می‌شود که مثل تکه‌های پازلی نامنظم کنار هم قرار گرفته‌اند. خطوط اتصال این کریستال‌ها به هم، «مرز دانه» نام دارد.
در دمای معمولی، مرزهای دانه مشکلی ندارند؛ اما در دمای بالای موتور جت و زیر فشار چرخش، به نقاط ضعف مرگباری تبدیل می‌شوند. اتم‌ها دوست دارند در امتداد این مرزها بلغزند (خزش) و ترک‌های خستگی معمولاً از همین‌جا شروع می‌شوند. همچنین، اکسیژن داغ به مرزهای دانه حمله می‌کند و آن‌ها را می‌خورد.
مهندسان سال‌ها با مشکلات مربوط به مرزهای دانه جنگیدند تا اینکه به ایده‌ای بسیار پیشرو رسیدند: «چه می‌شود اگر کل تیغه‌ی توربین را فقط از یک کریستال واحد بسازیم؟»
برای حذف نقاط ضعف، مهندسان کل تیغه‌ی توربین را از یک کریستال واحد و بدون هیچ درز و مرزی می‌سازند
اگر کل تیغه فقط یک‌دانه کریستال پیوسته باشد، دیگر هیچ «مرزی» وجود ندارد که بشکند، بلغزد یا اکسید شود. این ایده منجر به خلق «ریخته‌گری تک‌بلور» (Single Crystal Casting)، یکی از پیچیده‌ترین فرایندهای تولید در تاریخ بشر شد.
فرآیند ساخت تیغه‌ی تک‌بلور
فرایند ساخت تیغه‌ها تاحد زیادی به روش ساخت جواهرات ظریف یا مجسمه‌های برنزی باستانی شباهت دارد که به آن «ریخته‌گری دقیق» یا «موم فداشونده» می‌گویند:
در این فرایند ابتدا با استفاده از موم، کپی دقیقی از تیغه می‌سازند و سپس آن را وارد حوضچه‌ای از دوغاب سرامیکی می‌کنند و روی آن شن می‌پاشند. این کار بارهاوبارها تکرار می‌شود تا لایه‌ای ضخیم از سرامیک دور موم شکل بگیرد.
در مرحله بعد قالب را گرم می‌کنند. موم ذوب می‌شود و بیرون می‌ریزد (به همین دلیل به آن موم فداشونده می‌گویند). حالا ما یک قالب سرامیکی توخالی به شکل دقیق تیغه توربین داریم که می‌توانیم فلز مذاب سوپرآلیاژ را در خلأ (برای جلوگیری از اکسیدشدن) داخل این قالب بریزیم.
تا اینجای کار فازهای عادی قالب‌گیری را دیدیم، اما کلید موفقیت فرایند به روش سردشدن فلز برمی‌گردد:
قالب روی یک صفحه‌ی مسی بسیار سرد قرار می‌گیرد و کوره به‌آرامی بالا می‌رود تا قالب از پایین‌به‌بالا سرد شود. وقتی فلز مذاب با صفحه‌ی سرد تماس پیدا می‌کند، کریستال‌ها شکل می‌گیرند و مثل ساقه‌های درخت یا دندریت‌ها (Dendrites) به‌صورت انبوه به سمت بالا رشد می‌کنند.
اما قبل از اینکه این جنگل کریستالی وارد بدنه‌ی اصلی تیغه شود، باید از یک فیلتر عبور کند. مهندسان در پایین قالب، یک مسیر مارپیچی تعبیه کرده‌اند که Pigtail نام دارد.
به‌خاطر شکل هندسی خاص مارپیچ، اکثر کریستال‌ها به دیواره برخورد کرده و رشدشان متوقف می‌شود. در این مسابقه‌ی بقا، در نهایت فقط و فقط یک کریستال خوش‌شانس که جهت‌گیری اتمی کاملاً عمودی و بی‌نقصی دارد، موفق می‌شود از انتهای مارپیچ خارج شود.
در فرآیند ریخته‌گری، یک مسیر مارپیچی هزاران کریستال را حذف می‌کند تا تنها «یک» کریستال پیروز، کل تیغه را بسازد
این تک‌کریستال پیروز، وارد محفظه‌ی اصلی قالب می‌شود و چون رقیبی ندارد، رشد می‌کند و کل فضای تیغه را پر می‌کند.
خروجی فرایند، تیغه‌ای است که هیچ مرز دانه‌ای ندارد. اتم اول در پایین تیغه با اتم آخر در نوک تیغه، همگی در یک شبکه منظمِ پیوسته قرار دارند. به لطف این تکنولوژی دمای کاری موتور و عمر قطعات بهبود قابل‌توجهی داشتند. تیغه‌های تک‌بلور می‌توانند هزاران ساعت بیشتر از تیغه‌های معمولی کار کنند و دمای بالاتری را تاب بیاورند، بدون اینکه بشکنند.
پایداری موتور جت در مرز دما
حالا بیایید به سؤال اول مقاله برگردیم: چرا موتور جت ذوب نمی‌شود؟ این دستاورد از همکاری چند حوزه‌ی اصلی در مهندسی حاصل می‌شود؛ مجموعه‌ای از فناوری‌هایی که هرکدام بخش مشخصی از بار حرارتی را کنترل می‌کنند.
مهندسی اتمی: توسعه‌ی سوپرآلیاژهایی که برخلاف طبیعت، در دماهای بالا، استحکام خود را حفظ می‌کنند و حتی پایدارتر می‌شوند (فاز گاما پرایم). ریخته‌گری پیشرفته: حذف نقاط ضعف با تبدیل کل تیغه به یک کریستال واحد (تک‌بلور). مکانیک سیالات: طراحی سیستم‌های تنفسی و خنک‌کاری پیشرفته که تیغه را در لایه‌ای محافظ از هوای سرد نگه می‌دارند. شیمی سطح: پوشاندن فلز با سپرهای حرارتی سرامیکی.
نتیجه‌ی همه‌ی این تلاش‌ها مستقیماً عملکرد و ایمنی صنعت هوانوردی و همچنین کیفیت زندگی مردم جهان را بهبود داد؛ بین سال‌های 1960 تا 2010، مصرف سوخت هواپیماها حدود 55 درصد کاهش یافت و فاصله‌ی میان تعمیرات اساسی موتور از چند صد ساعت به حدود 25 هزار ساعت رسید.
امروز، در هر لحظه، هزاران هواپیما در حال جابه‌جایی میلیون‌ها انسان هستند؛ سیستم‌هایی که باید در دل دمایی کار کنند که در ظاهر، فراتر از حد تحمل مواد است؛ باوجود این شرایط، پرواز چنان به یک تجربه‌ی عادی تبدیل شده که نگرانی مسافران به‌جای کارکرد موتور، بیشتر به چیزهایی مثل کیفیت قهوه محدود می‌شود.
شاید مهم‌ترین دستاورد اصلی مهندسی همین باشد: رساندن فرایندی بسیار پیچیده و حساس به نقطه‌ای که برای ما به تجربه‌ای روزمره و قابل‌اعتماد تبدیل شود.