Ingranaggi di vetro metallico per i robot spaziali del futuro
Le avanguardie della moderna esplorazione spaziale non sono esseri umani, ma sofisticati strumenti robotici, che, come il rover Curiosity, sono in grado di svolgere complesse operazioni basate su movimenti snodati e controllati, simili a quelli che potrebbero compiere mani e braccia umane. I robot usati nell’esplorazione spaziale consentono così di simulare, sia pure con notevoli limiti, le capacità umane, con il grande vantaggio di non mettere a rischio la vita di un astronauta.
Perché uno strumento robotico funzioni nel migliore dei modi, le giunture dei suoi arti meccanici devono essere perfettamente oliate, ma soprattutto devono essere controllate da sistemi di ingranaggi molto raffinati, in grado di compiere delicati micromovimenti e allo stesso tempo di resistere a forti sollecitazioni meccaniche e bassissime temperature, senza oscillazioni e scatti improvvisi e, ovviamente, senza rompersi.
Ottenere questo perfetto bilanciamento di precisione, forza, resistenza e durata richiede l’uso di materiali particolarmente solidi e duttili e, inevitabilmente, il ricorso a un affidabile sistema di lubrificazione. Quest’ultima necessità si traduce in problemi di gestione dell’energia e dell’ingombro di non facile soluzione. Il rover Curiosity, che opera su Marte, ha bisogno per esempio di spendere continuamente energia per riscaldare il lubrificante che serve a tenere in buon esercizio gli ingranaggi che muovono le sue tante parti mobili. Questa preziosa energia è sottratta inevitabilmente al budget energetico a disposizione degli strumenti scientifici.
Soprattutto in vista di missioni robotiche da inviare in posti freddissimi come la luna di Giove Europa, diventa necessario sviluppare tecnologie che consentano di massimizzare la resa degli ingranaggi ricorrendo al minimo dispendio possibile di energia. Un gruppo di tecnici del Jet Propulsion Laboratory di Pasadena, in California, sta lavorando appunto a questo progetto. Il team di ricercatori, guidato da Douglas Hofmann, ha appena pubblicato due studi che descrivono le sorprendenti proprietà di ingranaggi robotici costruiti con un materiale molto particolare chiamato BMG. La sigla sta per bulk metallic glass, che potremmo rendere in italiano con massa di vetro metallico.
Ma come può un materiale essere allo stesso tempo un vetro e un metallo? La risposta sta, come vedremo, in un repentino cambiamento di temperatura. Ma cerchiamo di capire in primo luogo la differenza tra metalli e vetri.
I metalli sono caratterizzati da una struttura composta da reticoli cristallini. Gli atomi sono ordinatamente disposti in reticoli che formano uno scheletro, che fornisce resistenza ed elasticità agli oggetti. Ma questa proprietà è allo stesso tempo un punto di forza e di debolezza. Dove infatti il reticolo si interrompe, perché un grano di materiale metallico finisce e comincia quello adiacente, oppure dove c’è una dislocazione o un’imperfezione che alterano la regolarità della struttura cristallina, lì si crea un punto di debolezza, che, col tempo e l’usura, può portare a graffi, scheggiature, piccole fratture e, infine, all’improvvisa rottura dei denti o dell’intero ingranaggio metallico.
Un vetro, invece, è una struttura amorfa, in cui gli atomi sono disposti casualmente, così come in un liquido. Quando un vetro forgiato solidifica, conserva la medesima disposizione casuale degli atomi che aveva durante il processo di modellazione, mentre si trovava allo stato fuso.
La stessa proprietà, con opportune tecniche di raffreddamento rapido, può essere ottenuta anche per i metalli. Se si fonde un metallo e poi lo si raffredda facendo calare la temperatura di circa 1.000 °C al secondo, si ottiene un metallo amorfo, cioè un materiale solido che possiede allo stesso tempo le caratteristiche del metallo e quelle del vetro: un vetro metallico, appunto, elastico e resistente più del comune metallo, perché unisce al peso e alla densità tipica dei metalli la disposizione casuale degli atomi, propria dei vetri. Il vetro metallico è quasi del tutto privo di quelle irregolarità e imperfezioni, associate alle interruzioni e alle dislocazioni dei reticoli cristallini. Quando il vetro metallico è prodotto in blocchi più grandi di un millimetro, si parla allora di bulk metallic glass o BMG.
Le straordinarie proprietà di questo materiale sono ben documentate nel video seguente, in cui si può vedere l’incredibile durata dei rimbalzi di una pallina lasciata cadere sulla superficie di un blocco di BMG, mentre la stessa pallina, lasciata cadere su un blocco di acciaio inossidabile, “muore” letteralmente dopo appena 4 0 5 rimbalzi.
I vetri metallici furono sviluppati per la prima volta nel 1960 nei laboratori del Caltech, a Pasadena. Da allora sono stati utilizzati innumerevoli volte nella manifattura di oggetti di uso comune come cellulari e mazze da golf. Il gruppo di Hofmann sta ora testando l’utilizzo del BMG in qualcosa di molto più complesso e innovativo: la costruzione di ingranaggi da usare in sofisticatissimi strumenti robotici da inviare nello spazio.
I primi test si sono rivelati estremamente incoraggianti. A differenza del comune metallo, che alle basse temperature tende a diventare più fragile e a rompersi, gli ingranaggi costruiti con BMG restano integri e perfettamente funzionanti anche alle temperature glaciali che si possono trovare su Europa o su altri mondi del sistema solare esterno.
Gli ingranaggi testati dal gruppo di Hofmann hanno dimostrato di poter ruotare dolcemente anche sottoposti a forti torsioni, a temperature di −200 gradi Celsius. Soprattutto, hanno dimostrato di poter lavorare a quelle temperature senza il ricorso ad alcun lubrificante. Ciò apre scenari nuovi per una migliore gestione dell’energia in una eventuale sonda robotica da inviare su Europa (o forse, chissà, un giorno anche sulla più lontana Encelado).
Inoltre, il BMG ha un basso punto di fusione. Ciò consente di usare tecniche di produzione basate sull’iniezione in stampi del materiale fuso, un procedimento relativamente economico simile a quello utilizzato per la produzione di materiali plastici.
Il secondo studio pubblicato dal gruppo di Hofmann esplora poi l’uso del BMG per un tipo particolare di ingranaggio, usato tipicamente nelle giunture degli automi di alta qualità e perciò più costosi. Si tratta di un ingranaggio chiamato strain wave gear, che serve per ottenere movimenti di alta precisione. Il suo principio di funzionamento è illustrato nel video seguente.
Le ricerche svolte su questo tipo di componente al JPL allo scopo di migliorare gli strumenti robotici in vista del loro uso nell’esplorazione spaziale rischiano così di avere favorevoli ricadute anche sul mercato consumer, inducendo l’abbassamento dei prezzi dell’ingranaggio prodotto in BMG, anche quando inserito in automi progettati per l’uso domestico.
