De zoektocht naar Captain America’s schild

Langzaam maar zeker begint het erop te lijken alsof het schild dat Captain America gebruikt in de gelijknamige film binnen handbereik komt. Althans: als je materiaalkundigen als Suveen Mathaudhu moet geloven.

Hoewel het nog wel even duurt voordat de nieuwe Captain America film in de bioscoop gaat draaien (Captain America: The Winter Soldier, waaruit bovenstaande afbeelding afkomstig is, staat voor 3 april volgend jaar op het programma), zijn de avonturen van supersoldaat Steve Rogers door menig filmliefhebber al gezien in de rolprent Captain America: The First Avenger en in de megahit The Avengers.

Kenmerkend voor de krachten van Steve Rogers is niet alleen zijn opgekrikte vermogen om klappen te geven en incasseren, dankzij een hoogst theoretisch supersoldaatserum (voer voor een volgend bericht), maar vooral ook zijn iconische schild.

Volgens de film (zie onderstaand filmpje uit Captain America: The First Avenger, waarin Steve Rogers zijn schild voor het eerst ontdekt) is deze superheldenaccessoire gemaakt van een materiaal dat in het universum van stipboekenuitgever Marvel,vibranium heet. Vibranium is een metaal sterker dan staal, maar met maar een derde van zijn gewicht. Bijzonder is bovendien dat het metaal honderd procent schokbestendig is. Met andere woorden: het schild kan alle kinetische energie die het over zich uitgestort krijgt, opslaan, kanaliseren of ombuigen in iets anders.

Hoewel het in het echt is uitgesloten dat één enkel metaal de eigenschappen van Captain America’s schild kan nabootsen, is volgens een white paper van materiaalwetenschapper Suveen Mathaudhu het schild een stuk dichter bij de realiteit dan velen zouden denken.

Materiaalkundigen als Mathaudhu werken al jaren aan materialen die zowel heel sterk als heel licht zijn. De belangrijkste eigenschap van dat soort materialen is de zogeheten specifieke sterkte. De specifieke sterkte is een combinatie van de druksterkte van een materiaal, oftewel de hoeveelheid kracht (in Newtons) die een materiaal kan verwerken per vierkante meter oppervlak.

Materiaalkundigen willen echter materialen die zowel heel sterk zijn, als heel licht. Daarbij komt de specifieke sterkte om de hoek kijken – die deelt de druk- of treksterkte van een materiaal door zijn dichtheid (het aantal kilogrammen materiaal per kubieke meter). Een materiaal met een hogere specifieke kracht heeft daarom dan een efficiëntere verhouding tussen kracht en gewicht.

Op dit moment werken materiaalkundigen aan een aantal materialen die een zo hoog mogelijke specifieke kracht hebben, zodat deze materialen per gewichtseenheid zoveel mogelijk klappen kunnen opvangen. Ook wel zo fijn als je een Captain America-achtig schild moet dragen, zonder eerst een flinke stoot supersoldaatserum naar binnen te werken.

Om dat te bereiken, proberen materiaalkundigen de korrelgrootte van een materiaal te verkleinen. De grenzen tussen verschillende korrels – de kleine, kristalachtige structuren waaruit een materiaal is opgebouwd – zorgen er met hun willekeurige oriëntaties namelijk voor dat barsten en scheuren moeilijker kunnen ontstaan. Daardoor zijn materialen opgebouwd uit kleinere korrels, die dus per volume ook nog meer grenzen tussen die korrels hebben, een stuk steviger.

Door dit soort kristalachtige korrels in metalen te verkleinen, hopen materiaalkundigen een echte versie van Captain America’s schild te maken.

Door sterke, maar lichte materialen te maken hopen wetenschappers materialen als staal steeds vaker te kunnen vervangen. Kunstmatige materialen met een hoge specifieke kracht worden nu bijvoorbeeld al gebruikt in de luchtvaartindustrie, voor dingen als vliegtuigstoelen.

Bovendien worden dergelijk materialen ook goed in de gaten gehouden door het Amerikaanse leger, die niet toevallig ook het grootste deel van het loon van Mathaudhu betalen. In de toekomst kunnen lichtgewicht materialen volgens de meeste voorspellingen daadwerkelijk een belangrijke rol gaan spelen bij het beter beschermen van soldaten tegen kogels en andere gevaren – als andere technologische ontwikkelingen de menselijke soldaat niet eerst overbodig maken, natuurlijk.

Al met al is het veilig om te concluderen dat het schild van Captain America minder onwaarschijnlijk is dan je misschien op het eerste gezicht zou denken. Alhoewel… de kans dat de materialen waar wetenschappers aan werken ooit in de vorm van een schild worden gegoten, in plaats van een veel praktischer beschermend vest, lijkt op voorhand nog zo groot lijkt.