Termodynamicky stabilní slitina byla odjakživa snem všech vědců z oboru a zároveň pro ně byla doslova tabu. Mělo se totiž za to, že něco takového nemůže existovat. Dnes je její vývoj financovaný Evropskou unií jako plnohodnotný vědecký projekt a vlastní cestou hledá tento materiál v USA i věhlasná MIT.
ICARUS a FET OpenEvropský projekt, ve kterém hrají velkou roli čeští vědci, se jmenuje ICARUS. Vznikl na půdě katedry řídicí techniky FEL ČVUT ve výzkumné Skupině pro pokročilé materiály, kterou vede profesor Tomáš Polcar.  Profesor Tomáš Polcar vede výzkumnou Skupinu pokročilých materiálů na katedře řídicí techniky FEL ČVUT. Start-up ČVUT AdvaMat, jehož cílem je uplatnit vědecké výsledky skupiny v průmyslu získal prestižní grant FET Open (program pro vysoce rizikové a revoluční projekty v rané fázi vývoje), na který dosáhne zhruba jen jedno procento uchazečů a jedná se tak o výjimečný úspěch české vědy. |
Na materiál budoucnosti jsme se ptali profesora Polcara.
Za tenhle nápad by vás vyhodili od zkoušky
Projekt se zabývá termodynamicky stabilními slitinami. Proč jsou tak odlišné od klasických, dnes používaných materiálů a slitin?
Termodynamicky stabilní slitina je vlastně nepřesný, zjednodušující pojem. Vlastnosti slitin do značné míry záleží na struktuře a její kontrolou můžeme vlastnosti slitin zlepšovat.
V našem případě se snažíme připravit materiál s maximálním množstvím zrn, základních prvků kovové mřížky na atomární úrovni, čímž dosáhneme jeho větší pevnosti. To není nic nového, ale problém je slučování a růst těchto zrn za vyšší teploty. Kolegové z MIT ukázali, že je možné připravit takovou slitinu, kde zrna nerostou, a v našem projektu na jejich práci navazujeme. Pokud byste takovou tezi vyřkli u zkoušky před deseti lety, rovnou byste opustili místnost s opravným termínem. Pomocí pokročilých simulací chceme teoreticky identifikovat všechny takové slitiny, ze kterých vybereme vhodné kandidáty pro zkušební a nakonec i průmyslovou výrobu.
Mluvil jste o velikosti zrna, můžete tento termín nějak přiblížit laické veřejnosti?
Zrno je základní stavební prvek krystalických materiálů. Můžete si to představit jako jednotlivé kameny ve starověké zdi nespojené pojivem. Zrna vznikají růstem krystalů při tuhnutí materiálu. Krystal se zvětšuje, dokud nenarazí na jiný krystal. Na rozhraní pak vzniká mezní vrstva, která se nazývá hranice zrn a spolu s velikostí zrna je zodpovědná za mechanické vlastnosti materiálu. V běžném kovovém materiálu mají zrna velikost v rozmezí 1 – 100 mikrometrů, ale v materiálech, které vyvíjíme, 1000x menší, tedy ideálně v řádu okolo desítky nanometrů
Uvedené vlastnosti materiál přímo předurčují k využití v letectví a kosmonautice...
Například účinnost spalovacího motoru je možné výrazně zlepšit pouze zvýšením teploty, neboť obecně závisí na podílu teploty dosažené ohřevem a teploty chladiče. Problém je v tom, že vysoká teplota běžným materiálům nesvědčí – dochází k měknutí a hlavně ke změně struktury. Právě maximální možná provozní teplota materiálů je v současné době hlavním limitujícím faktorem. Námi navrhované slitiny, alespoň podle teoretických simulací a předběžných experimentů, budou mít požadovanou strukturu a tedy i vlastnosti téměř až do teploty tání. To je v případě některých binárních slitin až do teploty vyšší než 2 000 °C. Teplota tání běžných slitin je přitom kolem 1 500 °C, ale při této teplotě jsou již dávno nepoužitelné. Nové materiály by měly být. Pro srovnání, v poškozených částech reaktoru v Černobylu je v současnosti právě oněch 2 000 °C.
Další výhodou materiálu je až pětkrát větší pevnost a zároveň nižší hustota, což znamená výraznou hmotnostní úsporu. V letectví se tradiční slitiny nahrazují lehčími kompozitními materiály; pokud se nám to podaří, může se stát, že se kovové slitiny do letadel opět vrátí.
Superslitina, která má vzejít z projektu ICARUS, se uplatní například v kosmickém průmyslu. Na obrázku průřez experimentálním kontejnerem FOCUS společnosti Admatis (partner projektu ICARUS), který byl instalován ve stanici ISS v roce 2010.
Ve vesmírném programu mohou být finanční úspory ještě vyšší. Například u většího geostacionárního satelitu bude možné snížit hmotnost až o 10 kilogramů, čímž zákazník (většinou daňový poplatník) ušetří okolo osmi milionů korun.
Zásadní otázka. Vyplatí se nový materiál i ekonomicky?
Nové slitiny by mohly snížit hmotnost středně velkého letadla, jako je například Airbus A310, asi o sto kilogramů, což sníží spotřebu paliva o jedno procento. Použití nových slitin umožní zvýšení teploty na vstupu do turbíny a nárůst o pouhých 50 °C sníží spotřebu paliva o další procento. Dvě procenta se zdá na první pohled málo, je to odhadem 150 litrů na cestě mezi Paříží a Prahou, ale za tři roky už je to úspora hrubým odhadem milion litrů paliva jen na této trase. To nepředstavuje jen finanční úsporu, ale výrazné snížení produkce CO2, které vede k oteplování planety.
Tyto materiály jsou odolné i vůči radiaci, nabízí se tedy využití v extrémních podmínkách vesmíru. Kde je potkáme dál a ochrání před radiací i člověka?
Velké množství drobnějších zrn, které se nebude měnit za vyšší teploty, obecně znamená vyšší odolnost materiálu vůči radiaci. Materiál sám neposkytuje ochranu proti radiačnímu záření, ale odolává mu s menším poškozením než běžné materiály. Klasickým případem jsou aktivní zóny jaderných reaktorů, kde je kombinace vysoké teploty a záření, nebo stěny kontejnerů pro vyhořelé palivo. V prvním případě musí materiál vydržet řekněme sto let, v druhém pak sto tisíc let. Jiným případem jsou materiály pro družice, které musí být rovněž odolné vůči radiačnímu poškození, i když jiného druhu. A opravovat nebo vyměňovat něco ve vesmíru je nemyslitelné. Pokud materiál selže, je satelit odepsaný, takže odolnější materiál prodlouží životnost satelitů.
O speciálních slitinách se často mluví ve spojitosti s termojadernou fúzí. Jaký je váš názor? Uplatní se výsledky projektu ICARUS i zde? Přinesou nové slitiny průlom v termojaderné fúzi?
Představitelné by to asi bylo, ale náš projekt je zaměřen tak, aby během tří let připravil novou slitinu pro konkrétní aplikace, v našem případě například součást satelitu. Je to jen první krok – pokud se vše podaří, tak postupně slitiny přejdou z výběrových aplikací, jako jsou družice, do běžnějších, jako je jaderný nebo letecký průmysl. Cílem tohoto projektu financovaného námi všemi je uplatnit se na trhu a vrátit tak vložené prostředky zpět formou daní. V případě termojaderné fúze bohužel pořád platí konstanta 20 let, takže to z pohledu okamžité aplikace a zisku není moc aktuální (posledních asi 60 let se říká, že za 20 let bude termojaderná fúze dodávat energii).
Jak vůbec technicky funguje příprava takových nanostruktur a slitin na nanobázi?
Příprava má dvě fáze. První je teoretická, kdy se pomocí atomistických simulací najde optimální materiál s požadovanými parametry. Bez simulací na superpočítačích bychom nedokázali určit, jaké prvky a v jakém poměru máme použít. Jedná se o revoluci – zatím se při přípravě slitin často používal spíše odhad podložený zkušeností. Druhá fáze je experimentální, tedy vlastní příprava slitin s předpokládanými parametry. Standardní způsob přípravy je mechanické mletí a spékání, naše firma však bude zkoušet metodu přípravy pokročilými plasmovými metodami. Tyto metody nejsou vhodné pro výrobu velkého množství slitin, dobře však poslouží k jejich testování a verifikaci teoretických modelů.
Nápad z večeře
Jak vůbec nápad na supermateriál vznikl?
Byl jsem členem evropského projektu, kde jsme studovali nové materiály odolnější vůči radiačnímu poškození. Na jedné večeři jsme probírali článek publikovaný v časopise Science kolegy z prestižní americké univerzity MIT, který sliboval zcela nový přístup v navrhování nanostrukturních slitin. Nápad nám přišel natolik skvělý, že jsme hned začali připravovat projekt – první verze byla napsána mezi třemi chody na menu. Nejprve jsme samozřejmě naplánovali ověření metody uvedené v článku, což nám trvalo asi rok. Pak jsme zjišťovali, do jaké soutěže bychom mohli nápad poslat. Nakonec jsme zvolili FET Open, který se zaměřuje právě na hodně ambiciózní a rizikové projekty.
Je obtížné získat takový grant?
FET Open je specifický tím, že celý projekt má pouhých 10 stran. Hlavní je ukázat, v čem je projekt revoluční a hlavně jak se případný úspěch projektu uplatní v průmyslu. Proto také firmy tvoří polovinu partnerů. Když pominu přípravné vědecké práce, tak sepisování těch deseti stran trvalo asi dva měsíce. Místa je málo, takže musíte vážit každé slovo, a navíc musí být text atraktivní, aby oponenty zaujal nejen obsahem, ale i formou – přece jen neprojde téměř 99 projektů ze sta.
Do pěti let nový výrobek z nové slitiny
Jde o první podobný úspěch českého univerzitního start-upu v tomto prestižním programu, na projektu budete mj. spolupracovat se špičkovou univerzitou MIT. Jaký je klíč k tomu, aby byly české start-upy na mezinárodním poli v budoucnu úspěšnější?
Víte, v ČR je spousta menších inovativních firem, které jsou velmi úspěšné i v zahraničí, jedná se ale často o softwarové firmy. Oproti tomu v tradičních oblastech, jako je materiálové inženýrství, jsme bohužel hodně pozadu. Je to dáno mimo jiné tím, že náš vzdělávací systém obecně produkuje zaměstnance, ne zaměstnavatele. Kolik studentů plánuje založení vlastní firmy? Klíčem k úspěchu na mezinárodním poli je od začátku plánovat aktivity globálně; český trh je přece jen velmi malý a i dost konzervativní.
Jaké konkrétní výsledky očekáváte a v jakém časovém horizontu?
Pokud se vše podaří, tak za tři roky máme alespoň jednu novou slitinu s požadovanými vlastnostmi, která projde náročným testováním. Pravděpodobně první uplatnění této slitiny bude strukturální část satelitu, což zajišťují partneři projektu. To by ale měl být jen začátek a silný argument pro jednání s investory a silnými průmyslovými partnery o dalším využití nové technologie a materiálů. Právě plán přenosu výsledků ze simulací a laboratorních experimentů do praxe jsme připravovali velmi důkladně a nepochybně sehrál svou úlohu v kladném hodnocení projektu. Osobně bych považoval za velké zklamání, pokud bychom nebyli schopni do pěti let ukázat na konkrétní výrobek z nové slitiny.
