A képregények világa régóta inspirálja a mérnöki képzeletet. Tony Stark, a Vasember, saját életveszélyes sérülésére keresve megoldást alkotta meg legendás exoszkeletonját — amely nemcsak őt tartotta életben, hanem később az emberiséget is megvédte a rá leselkedő veszélyektől. Ma a mérnökök már olyan hasonló exoszkeleton‑terveket tesztelnek, amelyek egyeseknek emberfeletti súlyok emelésében segítenek, másoknak pedig — ami még lenyűgözőbb — lehetővé teszik, hogy bénulás után újra járjanak. Az igazság az, hogy számtalan technológia, az okosóráktól a szárnyasruhákig, visszavezethető a képregények világára.

Bármennyire is inspirálók ezek a képregény történetek, tudományos szempontból gyakran egyszerűen hajmeresztők. Ezért most, Stan Lee születésnapja alkalmából, az Altair® Inspire™, az Altair® HyperMesh® és az Altair® Radioss® szoftverek segítségével tesztelésre kerül egy sokat vitatott, képregényfizikai jelenség, mégpedig Amerika Kapitány „vibránium–acél ötvözetből” készült, oda-vissza pattogó pajzsa.

Mérnöki kutatás Amerika Kapitány pajzsáról

Az első Amerika Kapitány‑képregény megjelenése (1941) óta a címszereplő egy hazafias mintázatú pajzsot visel. Ez azonban nem mindig úgy jelent meg, mint egy frizbi, amely az egész világot biliárdasztalnak tekinti. Az első kiadásban még csak nem is volt kerek!

A képregény harmadik számában Stan Lee egy kétoldalas rövid történetet adott hozzá, amely először írta le, miként hajítják el az új, kerek pajzsot (amelyet az előző számban vezettek be) egy forgó koronghoz hasonlóan.

Az 1960-as Avengers 5. számában azonban Lee és régi alkotótársa, Jack Kirby ábrázolták először úgy a pajzsot, hogy az több tárgyról is visszapattan, majd végül visszatér Amerika Kapitány kezébe. Azóta ez a pattogó labdára emlékeztető harcmodor toposszá vált, amely mindenhol felbukkan, a „arany háromszögekért rajongó legendás hősöktől” kezdve, egészen a „görög panteonnal szembeszálló harcos hercegnőkig”.

Amerika Kapitány esetében ennek a toposznak ez a sajátos változata a pajzs vibránium–acél ötvözetének köszönhető. Mi az a vibránium? Jó kérdés: nem létezik. A Marvel‑képregények és filmek világában azonban úgy írják le, mint egy olyan fémet, amely képes tökéletesen elnyelni, biztonságosan tárolni és/vagy eloszlatni a mozgási energiát. Ez a mitikus anyag teszi a fegyvert olyan rugalmassá, mint egy fallabda. Végsősoron a történetek szerint Amerika Kapitány pajzsa erősebb az acélnál, miközben annak csupán egyharmadát nyomja.

Az Első Bosszúálló mérnöki modelljének összeállítása

A szimulációhoz a pajzs geometriája az Inspire szoftverben került modellezésre. Az Inspire egy CAE‑eszköz, ami CAD‑környezetben kínál mind modellezési, mind szimulációs lehetőségeket. A méreteket referencia­képek és Marvel-filmek jelenetei alapján, arányos méretezés segítségével becsülték meg.

Amerika Kapitány pajzsának végleges CAD‑modellje teljes egészében a nulláról készült. A modell becsléseken, arányos skálázáson és referencia­képeken alapul.

Ezt követően a geometriát optimalizálták a szimuláció egyik kulcslépésének számító hálózási folyamathoz. A hálót aztán a HyperMesh segítségével készítették el. Ez egy végeselemes analízis (FEA) szoftver, amellyel hatékonyan építhetjük fel, állíthatjuk be, futtathatjuk és elemezhetjük különböző fizikai folyamatok szimulációs modelljeit.

Végül annak kiszámítására, milyen fizikai hatások lépnek fel, amikor a pajzs nekiütközik a különböző falaknak, a Radioss megoldót használták. Ez az iparágban már bizonyított fizikai modellező eszköz ütközések, becsapódások, robbanások és egyéb nemlineáris események vizsgálatára szolgál.

A képregényekben és a filmek világában a konkrét anyagtulajdonságokra tett utalásokat (például, hogy a sűrűsége az acélénak egyharmada) használták fel a szimulációk során. Az első futtatásnál az ultra‑nagy szilárdságú acél (UHSS) anyagtulajdonságai szolgáltak alapként. A későbbi kísérletek során az UHSS tulajdonságait a vibránium pontatlan, történetbeli leírásai alapján módosították. Így például a folyáshatárt és a Young‑modulust olyan állításokhoz igazították, mint hogy „erősebb az acélnál”.

A kezdeti szimulációk során azt feltételezték, hogy a rendszer derékszögben elhelyezett, merev falakkal és padlóval rendelkezik. Egy koncepció­igazoló elemzéshez a falak közötti távolságot rövidre állították, nagyjából egy átlagos gardrób méretének megfelelően. Ezután a pajzsot egy nagyobb helyiségben is tesztelték annak felmérésére, milyen sebességgel kell eldobni ahhoz, hogy visszatérjen Amerika Kapitány kezébe.

A további adatokat és feltételezéseket — például a falak és a korong közötti súrlódási tényezőt — általánosan használt hozzávetőleges értékek és hagyományos módszerek alapján becsülték meg. Például feltételezték, hogy az egyes ütközések után a pajzs mozgásirányát a visszaverődés törvénye írja le. Végül a korong sebességét és forgását úgy állították be és tesztelték, hogy a stabilitást maximalizálják, és hogy a végső pozíció a lehető legközelebb essen a kiinduló helyzethez (azaz Amerika Kapitány kezéhez).

A kezdeti szimulációban, hagyományos acélt használva már látszott, hogy Amerika Kapitány pajzsa jobb napokat is látott. A falakkal való ütközések először rezgéseket és alakváltozást idéznek elő, majd az ócskavassá váló pajzs a padlóra zuhan.

Az acél anyagtulajdonságainak vibrániumhoz jobban közelítő skálázásával a pajzs már majdnem úgy viselkedett, ahogyan azt a filmekben és a képregényekben látjuk. Ahhoz azonban, hogy a helyiségen végighaladjon anélkül, hogy a padlónak csapódna, nagyjából autópálya‑sebességgel kellett volna eldobni. Ugyanakkor az így kapott anyagtulajdonságok végül a „talán a jövőben elérhető lehet” tartományába estek.

Nem is annyira elpusztíthatatlan, egyelőre…

Az összes szimuláció során az ütközések feszültséghullámokat indítottak el a pajzsban. Ennek következtében minden egyes becsapódás után egyre nagyobb rezgés és alakváltozás jelent meg a rendszerben. Ez teljesen életszerű, hiszen, ha a pajzs elnyeli az összes energiát, akkor annak valahová mennie kell. Ha a falak nem lennének merevek, azok is sérülnének — senki sem szeretne Amerika Kapitány dobásának útjába kerülni. Mindazonáltal a rezgések és deformációk egyértelműen megmutatják, hogy ha a pajzs acélból készülne, akkor nem lenne képes úgy viselkedni, ahogyan azt a képregényekben és a filmekben látjuk.

Kezdetben a pajzs vastagságát változtatták annak érdekében, hogy a geometria masszívabb legyen. Ez azonban gyorsan egy újabb problémához vezetett. Több anyag nagyobb tömeget jelent, és az ütközések túléléséhez szükséges anyagmennyiség végül oda vezetett, hogy a pajzs olyan nehézzé vált, hogy az emberek már felemelni sem tudnák — nemhogy eldobni. Sajnos Amerika Kapitány emberfeletti ereje sem ad erre magyarázatot, mivel mind a filmekben, mind a képregényekben több, különleges képességek nélküli szereplő is könnyedén felemeli, sőt el is hajítja a pajzsot.

Ezért a további szimulációk során, a rezgések és alakváltozások további csökkentése érdekében, valamint, hogy az anyag inkább hasonlítson a vibrániumra, a fém merevségét módosították. Először az acélénál kétszer nagyobb merevséget vizsgáltak, majd egy tízszer merevebb anyagot is elemeztek. Ezek a szimulációk már egyértelműen a „tudományos fantasztikum” kategóriájába tartoznak. Jelenleg nem léteznek olyan anyagok, amelyek mindezeknek a követelményeknek megfelelnének. Ugyanakkor nem teljesen elképzelhetetlen, hogy a jövőben felfedezzenek vagy mesterségesen létrehozzanak egy olyan anyagot, amely egyszerre rendelkezik ezekkel a tulajdonságokkal.

A valódi kihívás akkor jelentkezik, amikor a pajzsot egy nagyobb helyiségben dobják el. Ahhoz, hogy a pajzs körbejárja a teret és visszatérjen Amerika Kapitány kezébe, nagyjából autópálya‑sebességgel kellene eldobni. Ez azonban önellentmondásos, mivel minél nagyobb a sebesség, annál nagyobb sérüléseket szenved el a pajzs. Végül ismét eljutunk arra a pontra, hogy az ütközések túléléséhez szükséges tömeg olyan nagy lesz, hogy az emberfeletti erővel nem rendelkező hősök nem lennének képesek dobálni a pajzsot.

Összefoglalásként elmondható, hogy Amerika Kapitány pajzsvisszapattintó technikája az emberi lehetőségek határán mozog. Így egyelőre ez a jelenség teljes mértékben megcáfolhatónak tekinthető.

Hasonló mítosz boncolgatásig viszontlátásra a rajongóknak, Stan Mesternek pedig boldog születésnapot, sokkal tartozik neki a mérnöki világ.