Mokslas ir IT

2020.05.20 15:10

Mokslininkai kuria unikalią medžiagą lėktuvams ir vėjo jėgainėms

Sunku tai įsivaizduoti, bet šią akimirką ore galimai skrenda ne mažiau nei pusė milijono žmonių. Per metus pasaulyje parduodama daugiau nei 4 milijardai lėktuvų bilietų. Daugybė žmonių kiekvieną dieną skrenda į įvairiausius miestus ir šalis. Tarp jų – ir mes.

O už tai turime padėkoti mokslininkams. Jų darbo dėka turime lengvesnes, stipresnes, saugesnes medžiagas, iš kurių gaminami vis efektyvesni lėktuvai. Daugiau apie tai laidai „Mokslo sriuba“ papasakojo Kauno technologijos universiteto (KTU) mokslininkė, dr. Daiva Zeleniakienė.

Pasak jos, kuo lengvesnis lėktuvas, tuo mažesnės kuro sąnaudos. Dėl to mažesnė ir oro tarša, lėktuvas gali gabenti daugiau keleivių.

„Vien tik per kuro sąnaudas žiūrint, jau yra labai išaugęs efektyvumas. Kuo toliau, tuo daugiau panaudojama tokių medžiagų automobiliuose, ypač sportiniuose“, – kalbėjo mokslininkė.

Kitas pavyzdys – vėjo jėgainės. Galbūt kai kuriuos nustebins tai, kad šiuolaikinės vėjo jėgainės elektrą gamina pigiau už deginančias dujas ar anglis. Vėjo jėgainių mentys yra gaminamos iš lengvų, bet stiprių kompozitinių medžiagų – o tai suteikia didesnį efektyvumą.

KTU Aeronautikos inžinerijos studentė Saulė Kvietkaitė laidoje pasakojo, kaip sukurti lengvą, tačiau patvarią ir stiprią struktūrą.

„Kiekvienas audinys turi savo skirtingą audimą, skirtingi audimo tipai, skirtingas raštas, dėl to skirtingos ir mechaninės savybės“, – aiškino ji.

Studentė papasakojo, kad kiekvienas audinys yra ištepamas polimerine derva. Ji kaip klijai suklijuoja skirtingus sluoksnius. Tada kompozitas įdedamas į vakuumą.

„Suklojus sluoksnius buvo įdėta į vakuumą, tokiu būdu užtikrinant gerą prisispaudimą ir ištraukiant tarp sluoksnių likusius oro burbuliukus“, – pasakojo S. Kvietkaitė.

Kurs naujoviškus kompozitus

Tačiau, kaip žinome, nieko nėra amžino. Ilgainiui medžiagos dėvisi ir degraduoja.

„Žinome, kad ir vėjo jėgainės lūžta katastrofiškai, tarsi iš popieriaus. Jos negali taip imti ir suirti, aišku, kad su laiku kaupiasi vis daugiau ir daugiau mikro įtrūkimų, jie pasidaro didesni. Norime sukurti naujoviškus kompozitus, kurie turėtų ne tik geras mechanines savybes, būtų stiprūs, bet ir turėtų dar papildomų funkcijų“, – „Mokslo sriubai“ aiškino D. Zeleniakienė.

Pavyzdžiui, į kompozitą galima įterpti elektrai laidžių dalelių, kurios leistų įvertinti gaminio degradaciją. Įsivaizduokime, kad pagaminame naują detalę ir per ją paleidžiame elektros srovę. Elektra teka per medžiagą esant tam tikram pasipriešinimui. Tačiau ilgainiui degraduojant medžiagai, elektros laidumas mažėja.

„Mes žinome, koks elektros stiprumas yra, kai medžiaga sveika, nepažeista. Po to atsiranda įvairių įtrūkimų, tai aišku, kad tas elektros stiprumas turi mažėti. Varža ima augti ir tada mes galime suprasti, kad kažkas medžiagai pasidarė“, – teigė mokslininkė.

Anot jos, taip būtų galima užfiksuoti defektus ir pažeidimus ankstyvoje stadijoje. Taip būtų galima laiku suremontuoti, sustabdyti pavojų. Skrydžio metu taip pat būtų galima žinoti, ar viskas gerai su korpusu, ar nieko nenutiko.

„Taip pat gali būti ir kita technologija, tuo pačiu dalyku paremta. Nusileidus, atliekant techninę apžiūrą matuojami kontroliniai taškai, tikrinama ar labiausiai pažeidžiamose vietose neatsirado kažkokių įtrūkimų“, – kalbėjo D. Zeleniakienė.

Išbandoma nauja nano dalelė

Pasak tyrėjos, ši idėja nėra nauja ir šiek tiek tokių technologijų yra išrasta. Bet mūsų mokslininkai kartu su užsienio kolegomis šiam iššūkiui bando pritaikyti naują nano dalelę.

„Kuri tikrai pasižymi išskirtinėmis savybėmis. Tokios nano dalelės, kurios yra pralaidžios elektrai, pavyzdžiui, grafenas, anglies nano vamzdeliai. Šios dalelės praleidžia elektrą, jos labai laidžios, tačiau nedera su polimeru ir tada silpnina pačią medžiagą. Įveikia kaip kokį defektą, nes jos nesudaro ryšių su polimerine matrica. Jas reikia specialiai paruošti, daryti kažkokius technologinius procesus, kad jos (nano dalelės – red. past.) sukibtų su ta derva. Paprastai tų nano vamzdelių arba grafenų galima įdėti labai mažai, iki vieno procento, nes kitaip jie aglumeruosis ir kaip kokie defektai tik blogins savybes.

Mūsų dalelė yra unikali tuo, kad ji draugauja su polimeru – ne tik praleidžia elektrą, bet ir sustiprina polimerą“, – tvirtino mokslininkė.

Pasak tyrėjos, šiame tyrimų projekte dalyvauja 11 partnerių iš devynių pasaulio šalių. Ji įvardijo, jog prie projekto prisidėjo partneriai iš Europos bei mokslininkai iš JAV Drekselio universiteto, kurie ir išrado šią nano dalelę.

„Jie ją atrado netyčia, taip turbūt atsitinka dažniausiai. Jie ieškojo visai kitų dalykų, bet netyčia gavo ir pasižiūrėjo, kad visai įdomi medžiaga“, – laidoje sakė D. Zeleniakienė.

Dalelė, turinti unikalias savybes

Pasak jos, nano daleles galima suskirstyti į dvi grupes: jos yra arba laidžios elektrai ir hidrofobiškos, arba nelaidžios elektrai ir hidrofiliškos.

„Hidrofiliškos reiškia, kad prisijungia lengvai atomus ir gali sudaryti gerus ryšius bei stiprinti. Mūsų dalelė maksenas turi abi savybes – yra ir hidrofiliškas, ir laidus. Aš nežinau kitos tokios dalelės, ji tikrai unikali“, – tvirtino tyrėja.

Kaip įvardijo D. Zeleniakienė, šios medžiagos storis tėra vienas nano metras. Medžiagos, kurios yra labai plonos, vadinamos 2D medžiagomis.

„Iš tikrųjų, ji yra labai panaši į grafeną. Grafenas irgi yra 2D medžiaga, jis yra plonesnis, stipresnis ir trapesnis. Tai čia žiūrint, ko reikia. Pavyzdžiui, maksenas elektronikoje yra labai pravartus, jeigu mes norime kurti kažkokią lanksčią elektroniką. Tada labai gerai tiktų mūsų maksenas, nes jis pasižymi didelėmis deformacijomis, jis taip netrupa kaip grafenas“, – aiškino mokslininkė.

Bandymus atlieka su kompiuteriu

Kol kas maksenas yra labai brangus, todėl KTU mokslininkai iš pradžių bandymus atlieka su kompiuteriu. Jie smalsiai modeliuoja būsimo kompozito struktūrą ir ieško geriausių variantų.

„Mažą medžiagos gabaliuką modeliuojame, jame atsispindi polimeras ir dalelės. Mes jį apkrauname ir žiūrime, kaip jis mechaniškai elgiasi. Ieškome, kaip tą mikrostruktūrą sudėlioti, kaip išlygiuoti, kaip pakreipti, kiek pridėti tos nano medžiagos į vidų, kokie turi būti dydžiai tų mūsų 2D „blynelių“, – kalbėjo D. Zeleniakienė.

Anot KTU mokslininko Sigito Kilikevičiaus, tai galima vadinti virtualiu testavimu. „Čia yra labai įdomi sritis, turi tas darbas savo patrauklumo. Iš pradžių, specialių programinių įrankių pagalba sumodeliuojame tą geometriją – kaip tos nano dalelės pasiskirstys epoksidinėje dervoje.

Po to mokslininkai aprašo atskirų medžiagų savybes. Programa atlieka daugybę skaičiavimų ir prognozuoja, kaip kompozitas elgsis veikiant tam tikroms apkrovoms. Tikriausiai daugeliui yra tekę matyti vaizdo įrašus, kuriuose rodoma, kaip presas suspaudžia įvairius daiktus. Suspaudžiamų daiktų vaizdai, kaip deformuojasi vaškas, guma, plastelinas ir kitos medžiagos, mums suteikia malonumą. Internete jie surenka milijonus peržiūrų. Panašius destrukcinius bandymus atlieka ir KTU tyrėjai tam, kad matytų, kaip vyksta suirimo procesas.

„Taip pat labai įdomu, kai gali kažką ištestuoti virtualiai, paskui atlikti eksperimentą ir galų gale, kai pamatai savo kažkokius darbus įgyvendintus praktiškai, tai atsiranda pasitenkinimas, atpildo jausmas ir pan.“, – teigė S. Kilikevičius.

Prireiks daug metų, kad būtų galima panaudoti praktiškai

Tačiau, pasak tyrėjų, dar reikės daugelio metų tyrimų, kad šios nano dalelės galėtų būti naudojamos orlaiviuose ir kitur.

„Išvengimas nelaimių, palengvintas darbas, atpiginta visa patikros technologija. Yra tokia idėja ir tikimės, kad bus įgyvendinta anksčiau ar vėliau“, – tikino mokslininkė D. Zeleniakienė.

Pasak S. Kilikevičiaus, aviacijoje užtrunka įvesti naujus dalykus, nes viską turi aprobuoti atitinkamos institucijos. O anot D. Zeleniakienės, gali ir neatsirasti būdas, kaip atpiginti medžiagas. Pavyzdžiui, grafenas yra labai naudinga medžiaga, tačiau iki šiol jis yra labai brangus, todėl niekas jo negali pigiai pagaminti. Kol kas nežinoma, kaip bus su maksenu, nors išradėjai galvoja, kad jis bus pigus.

Stulbinančios perspektyvos

Taip mokslininkai ir kuria ateitį. Jie nežino, ką pavyks atrasti, sukurti, nežino ką pavyks pritaikyti. Tačiau iš daugybės tyrimų kai kurie darbai itin atsiperka ir pagerina mūsų gyvenimus, atveria naujas galimybes.

Paklausta, kaip vertina iki šiol paplitusį mitą, kad moterys fizikoje, inžinerijoje nesijaus laimingos, D. Zeleniakienė patikino, kad mokslininko darbas apskritai yra labai įdomus.

„Čia yra iššūkiai, išbandymai, čia ateiti apsimoka, nes tai yra įdomu. Tai nepriklauso nuo lyties, jeigu traukia technika, fizika, tikrai puiku save realizuoti. Visi gali“, – su šypsena kalbėjo mokslininkė.

Pasak tyrėjos, deja mūsų šalyje kompozitų pramonė yra neišvystyta. Tačiau užsienyje tokie specialistai yra geidžiami.

„Poreikis tokių specialistų yra didžiulis. Užsienio universitetai šiose srityse dirba kartu su kompozitų gamybos gigantais, tokiais kaip „Airbus“ ar automobilių gamintojais. Mokslų daktarai, apsigynę diplomą šios srities, pagriebiami į pramonę automatiškai, nes jiems reikia mokslininkų šioje srityje. Užsienyje perspektyvos yra stulbinančios“, – tvirtino mokslininkė.

Tekstą parengė Patricija Kilminavičienė