Drijvend titanium rooster blijft zweven na scheuren en verslaat staal

Een team van RMIT University in Melbourne heeft een metalen structuur ontwikkeld die drijft ondanks scheuren, breuken en zware schade. De onderzoekers combineerden holle titanium staafjes met polyurethaanschuim en printten het geheel met additieve fabricage, oftewel 3D-printen. Het resultaat is een open rooster waar water doorheen kan stromen, terwijl de constructie toch blijft drijven.

Het probleem met open metalen roosters

Lichte metalen roosterstructuren zijn al langer populair omdat ze sterk zijn bij een laag gewicht. Het probleem is alleen dat hun open ruimtes water doorlaten, waardoor ze vaak zinken. De RMIT-onderzoekers losten dit op door alleen de holle staafjes van het rooster te vullen met schuim, terwijl de grotere openingen vrij bleven voor waterdoorstroming. Onderzoeksleider Jordan Noronha legt uit dat piepkleine, afgesloten cellen in het schuim gas vasthouden en voorkomen dat water de staafjes volledig vult, ook wanneer het rooster beschadigd raakt. Om te voorspellen of zo'n structuur blijft drijven, ontwikkelde het team een nieuwe rekenmethode: de skeletdichtheid. Die telt alleen de massa van de titaniumwanden en het schuim mee, niet de open ruimtes die met water vollopen. Blijft die skeletdichtheid onder de dichtheid van het omringende water, dan blijft de constructie drijven, zelfs als de buitenkant onder water staat.

Sterk genoeg voor zeewater

Bij een gelijke totale dichtheid bleek het titanium rooster 70 procent sterker dan roestvrij staal of hogedichtheid-polyethyleen, de materialen die nu vaak in maritieme toepassingen worden gebruikt. Tijdens een test van twee weken in zeewater uit Port Phillip Bay bij Melbourne verloor het materiaal slechts 0,15 procent van zijn massa, en de sterkte nam met minder dan 1 procent af. Zelfs na scheuren, beschadigde verbindingen en het volledig breken van een hele laag van het rooster bleef de structuur drijven. Pas bij extreme verplettering zonk het exemplaar alsnog. Ter vergelijking: holle maritieme constructies lopen doorgaans snel vol zodra hun wand scheurt.

Van laboratorium naar zee

Om de techniek te demonstreren bouwden de onderzoekers een prototype boei die stabiel bleef in een woelige zeewatertank, zelfs bij een kanteling tot 45 graden. Er was geen afgesloten behuizing, beschermende coating of extra drijfvermogen voor nodig. Projectleider Ma Qian wil nu grotere onderdelen laten testen onder realistische en diepzee-omstandigheden. Daarnaast zien de onderzoekers mogelijkheden buiten de scheepvaart, bijvoorbeeld voor energieabsorptie, warmtebeheer en trillingsdemping, door een ander materiaal in het titanium frame te gebruiken. Het onderzoek, uitgevoerd in samenwerking met het Franse Conservatoire National des Arts et Métiers, is gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Materials.