Erschließung des „Materialgenoms“, um das Luft- und Raumfahrtdesign voranzutreiben

Letzten Monat entdeckten Forscher der School of Aerospace, Mechanical, and Mechatronic Engineering der University of Sydney eine Mikroskopiemethode zur Aufklärung atomarer Beziehungen in kristallinen Materialien wie fortschrittlichen Stählen und kundenspezifischem Silizium.

The aerospace industry is constantly striving to improve efficiency, performance, and safety while reducing carbon emissions and maintaining sustainability. In recent years, several technological advancements have expanded the capabilities of air travel both within the Earth's atmosphere as well as outside it. This includes advanced satellite technology for communications, additive manufacturing for lightweight components, electric propulsion for reduced emissions and reduced costs, supersonic flight for faster travel, and artificial intelligence and machine learning for enhanced operational efficiency.

Die Luft- und Raumfahrtindustrie ist ständig bestrebt, Effizienz, Leistung und Sicherheit zu verbessern und gleichzeitig den CO2-Ausstoß zu reduzieren und die Nachhaltigkeit aufrechtzuerhalten. In den letzten Jahren haben mehrere technologische Fortschritte die Möglichkeiten des Flugverkehrs sowohl innerhalb als auch außerhalb der Erdatmosphäre erweitert. Dazu gehören fortschrittliche Satellitentechnologie für die Kommunikation, additive Fertigung für Leichtbaukomponenten, elektrische Antriebe für reduzierte Emissionen und geringere Kosten, Überschallflüge für schnellere Reisen sowie künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen für eine verbesserte betriebliche Effizienz.

Aerospace focuses on advanced materials with very specific properties. Systems usually involve different kinds of materials, ranging from ceramic thermal to carbon fiber and Titanium, which are used for myriad purposes to optimize performance.

Die Luft- und Raumfahrt konzentriert sich auf fortschrittliche Materialien mit sehr spezifischen Eigenschaften. Systeme umfassen in der Regel verschiedene Arten von Materialien, von thermischer Keramik über Kohlefaser bis hin zu Titan, die für unzählige Zwecke zur Leistungsoptimierung eingesetzt werden.

The research in this area aims to develop multifunctional materials, which means materials that have not only structural functions but can also offer other features like active cooling. To bring advanced aerospace concepts to life, materials must be more durable, lightweight, and cost-effective than ever before. 

Die Forschung in diesem Bereich zielt darauf ab, multifunktionale Materialien zu entwickeln, also Materialien, die nicht nur strukturelle Funktionen haben, sondern auch andere Eigenschaften wie aktive Kühlung bieten können. Um fortschrittliche Luft- und Raumfahrtkonzepte zum Leben zu erwecken, müssen Materialien langlebiger, leichter und kostengünstiger sein als je zuvor.

As the aerospace industry continues to progress, let's examine the latest groundbreaking innovations that will take it even further.

Während die Luft- und Raumfahrtindustrie weiterhin Fortschritte macht, werfen wir einen Blick auf die neuesten bahnbrechenden Innovationen, die sie noch weiter voranbringen werden.

Unveiling the ‘Materials Genome' to Advance Design

Enthüllung des „Materialgenoms“ zur Weiterentwicklung des Designs

Last month, researchers from the University of Sydney's School of Aerospace, Mechanical, and Mechatronic Engineering discovered a microscopy method for unraveling atomic relationships within crystalline materials such as advanced steels and custom silicon.

Letzten Monat entdeckten Forscher der School of Aerospace, Mechanical, and Mechatronic Engineering der University of Sydney eine Mikroskopiemethode zur Aufklärung atomarer Beziehungen in kristallinen Materialien wie fortschrittlichen Stählen und kundenspezifischem Silizium.

This means that researchers can detect even minute changes in the atomic-level architecture of these materials, enhancing our understanding of the fundamental origins of their properties and behavior. This knowledge will enable the development of advanced semiconductors for electronics and lighter, stronger alloys for the aerospace sector.

Dies bedeutet, dass Forscher selbst kleinste Veränderungen in der Architektur dieser Materialien auf atomarer Ebene erkennen und so unser Verständnis der grundlegenden Ursprünge ihrer Eigenschaften und ihres Verhaltens verbessern können. Dieses Wissen wird die Entwicklung fortschrittlicher Halbleiter für die Elektronik und leichterer, festerer Legierungen für den Luft- und Raumfahrtsektor ermöglichen.

For this, researchers used atom probe tomography (APT), a technique that visualizes atoms in three dimensions (3D), to unpack the complexity of short-range order (SRO). SRO is a quantitative measure of the relative tendency for a material's constituent elements to deviate from a random distribution. Understanding the local atomic environments is essential for creating innovative materials.

Zu diesem Zweck verwendeten die Forscher die Atomsondentomographie (APT), eine Technik, die Atome in drei Dimensionen (3D) visualisiert, um die Komplexität der Nahordnung (SRO) zu entschlüsseln. SRO ist ein quantitatives Maß für die relative Tendenz der Bestandteile eines Materials, von einer zufälligen Verteilung abzuweichen. Das Verständnis der lokalen atomaren Umgebung ist für die Entwicklung innovativer Materialien von entscheidender Bedeutung.

By quantifying the non-randomness of neighborhood relationships at the atomic scale within the crystal in detail, SRO opens up “vast possibilities for materials that are custom-designed, atom-by-atom, with specific neighborhood arrangements to achieve desired properties like strength,” said the study lead, Professor Simon Ringer, who is the Pro-Vice-Chancellor (Research Infrastructure) at the University of Sydney.

Durch die detaillierte Quantifizierung der Nichtzufälligkeit von Nachbarschaftsbeziehungen auf atomarer Ebene innerhalb des Kristalls eröffnet SRO „riesige Möglichkeiten für Materialien, die Atom für Atom individuell entworfen werden, mit spezifischen Nachbarschaftsanordnungen, um gewünschte Eigenschaften wie Festigkeit, “, sagte der Studienleiter, Professor Simon Ringer, der Pro-Vizekanzler (Forschungsinfrastruktur) an der Universität Sydney.

Sometimes referred to as the ‘materials genome,' SRO has been a challenge to measure and quantify. This is because atomic arrangements occur at such a small scale that you can't see them with conventional microscopy techniques.

SRO wird manchmal als „Materialgenom“ bezeichnet und war eine Herausforderung bei der Messung und Quantifizierung. Dies liegt daran, dass atomare Anordnungen in einem so kleinen Maßstab auftreten, dass man sie mit herkömmlichen Mikroskopietechniken nicht erkennen kann.

So, the team of researchers developed a new method using APT that overcomes these challenges, making it “a significant breakthrough in materials science,” said Ringer, a materials engineer at AMME. 

Deshalb entwickelte das Forscherteam mithilfe von APT eine neue Methode, die diese Herausforderungen bewältigt und es zu einem „bedeutenden Durchbruch in der Materialwissenschaft“ macht, sagte Ringer, Materialingenieur bei AMME.

The study's focus has been on high-entropy alloys (HEAs), a heavily researched area due to their potential for use in situations that require high-temperature strength, including jet engines and power plants.

Der Schwerpunkt der Studie lag auf Hochentropielegierungen (HEAs), einem stark erforschten Bereich aufgrund ihres Potenzials für den Einsatz in Situationen, die Hochtemperaturfestigkeit erfordern, einschließlich Flugzeugtriebwerken und Kraftwerken.

Using advanced data science techniques and drawing on data from APT, the researchers observed and measured SRO. They were then able to compare how SRO changes in a high-entropy alloy of cobalt, chrome, and nickel under different heat treatments.

Mit fortschrittlichen datenwissenschaftlichen Techniken und auf der Grundlage von APT-Daten beobachteten und maßen die Forscher den SRO. Anschließend konnten sie vergleichen, wie sich der SRO in einer hochentropischen Legierung aus Kobalt, Chrom und Nickel unter verschiedenen Wärmebehandlungen verändert.

According to Dr Andrew Breen, a senior postdoctoral fellow:

Laut Dr. Andrew Breen, einem leitenden Postdoktoranden:

“(The study has produced a) sensitivity analysis that bounds the precise range of circumstances whereby such measurements are valid and where they are not valid.”

„(Die Studie hat eine) Sensitivitätsanalyse erstellt, die den genauen Bereich der Umstände begrenzt, unter denen solche Messungen gültig sind und unter denen sie nicht gültig sind.“

By measuring and understanding SRO, this study could also help transform approaches to materials design and show just how “small changes at the atomic level architecture can lead to giant leaps in materials performance,” said Dr. Mengwei He, a postdoc research fellow in the School of Aerospace, Mechanical, and Mechatronic Engineering.

Durch die Messung und das Verständnis von SRO könnte diese Studie auch dazu beitragen, Ansätze für das Materialdesign zu transformieren und zu zeigen, wie „kleine Änderungen in der Architektur auf atomarer Ebene zu riesigen Sprüngen in der Materialleistung führen können“, sagte Dr. Mengwei He, ein Postdoktorand in der Forschung Fakultät für Luft- und Raumfahrt, Maschinenbau und Mechatronik.

Moreover, by providing a blueprint at the microscopic level, the study enhances a researcher's capabilities to computationally simulate, model, and then predict materials behavior. It can further act as a template for future studies in which SRO controls critical material properties. 

Darüber hinaus verbessert die Studie durch die Bereitstellung eines Entwurfs auf mikroskopischer Ebene die Fähigkeiten eines Forschers, das Materialverhalten rechnerisch zu simulieren, zu modellieren und anschließend vorherzusagen. Darüber hinaus kann es als Vorlage für zukünftige Studien dienen, in denen SRO kritische Materialeigenschaften kontrolliert.

A Revolutionary Material to Enable Hypersonic Flight

Ein revolutionäres Material, um Hyperschallflüge zu ermöglichen

There is a lot of interest in achieving sustained flight at hypersonic speeds, but technical challenges remain. These include managing extreme heat, developing materials that can withstand stress, extreme temperatures, and oxidation without compromising performance, and creating propulsion systems that can operate efficiently at high speeds and altitudes. 

Es besteht großes Interesse daran, einen dauerhaften Flug mit Überschallgeschwindigkeit zu erreichen, es bleiben jedoch technische Herausforderungen bestehen. Dazu gehören der Umgang mit extremer Hitze, die Entwicklung von Materialien, die Belastungen, extremen Temperaturen und Oxidation ohne Leistungseinbußen standhalten, und die Entwicklung von Antriebssystemen, die bei hohen Geschwindigkeiten und Höhen effizient arbeiten können.

As researchers try to find solutions to these problems, scientists from Guangzhou University School of Materials Science and Engineering reported a breakthrough in hypersonic heat shields earlier this year.

Während Forscher versuchen, Lösungen für diese Probleme zu finden, meldeten Wissenschaftler der Guangzhou University School of Materials Science and Engineering Anfang des Jahres einen Durchbruch bei Hyperschall-Hitzeschilden.

In what could be a game changer for hypersonic flight, the scientists developed a new material, porous ceramic, that provides “exceptional thermal stability” and “ultrahigh compressive strength.” 

Die Wissenschaftler entwickelten ein neues Material, poröse Keramik, das „außergewöhnliche thermische Stabilität“ und „ultrahohe Druckfestigkeit“ bietet, was für den Hyperschallflug bahnbrechend sein könnte.

This has been achieved using a multi-scale structure design, which the scientists say has been done for the very first time. Moreover, the quick fabrication of this high-entropy ceramics opens the door to wider exploration in the sectors of aerospace, chemical engineering, and energy production and transfer.

Dies wurde mithilfe eines mehrskaligen Strukturdesigns erreicht, was den Wissenschaftlern zufolge zum ersten Mal gelungen ist. Darüber hinaus öffnet die schnelle Herstellung dieser Hochentropie-Keramik die Tür für umfassendere Erkundungen in den Bereichen Luft- und Raumfahrt, Chemietechnik sowie Energieerzeugung und -übertragung.

The researchers said the ceramics were fabricated through “an ultrafast high-temperature synthesis technique

Die Forscher sagten, die Keramik sei durch „eine ultraschnelle Hochtemperatur-Synthesetechnik“ hergestellt worden