Przyszłość już nastała
Przyszłość już nastała. Czym się różnią inżynierowie od amazońskich pajączków
Wbrew powszechnym mniemaniom kompozyty, czyli – jak mówi ciocia Wikipedia – „materiały o strukturze niejednorodnej, złożone z dwóch lub więcej komponentów o różnych właściwościach”, nie są wynalazkiem ostatnich dziesięcioleci. Na kompozytach opierały się – lub im się opierały – całe cywilizacje. Już tysiące lat temu z cegieł złożonych z gliny i siana stawiano konstrukcje, które nie rozpływały się po pierwszym deszczu. W Mezopotamii znano tajemnicę sklejki. Kompozytowe łuki dały armii Czyngis-chana przewagę militarną tak potężną, że na wieki wstrzymała rozwój nauki i sztuki na połaciach Azji Środkowej i nie tylko.
Wynalezienie plastiku i włókna szklanego, pary jakby stworzonej dla siebie, dało początek nowej gałęzi przemysłu. Wykorzystywano je już podczas drugiej wojny światowej, a po niej stały się częścią przemysłowego mainstreamu. Kompozyty idealnie nadawały się do budowania samolotów, łodzi, szybkich samochodów, pojazdów, w których czynnik masy ma kluczowe znaczenie. Kompozyty są lekkie, wytrzymałe, łatwe w kształtowaniu.
Mają też rolę kulturotwórczą – bez kalifornijskich surferów nie byłoby przecież ani Elvisa, ani Beach Boysów, ani Red Hot Chili Peppers, a surferów nie byłoby bez desek – z kompozytów, oczywiście. Superwytrzymały kevlar, materiały z włókien węglowych i inne – kompozyty są dziś synonimem nowoczesności. I nimi właśnie zajmuje się Andrzej Katunin, profesor nadzwyczajny Politechniki Śląskiej w Gliwicach. Ten specjalista w dziedzinie tzw. badań nieniszczących materiałów jest autorem lub współautorem ponad 200 publikacji naukowych, dwukrotnym stypendystą programu Start Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, laureatem nagród Fiata za prace magisterską i doktorską, entuzjastycznym popularyzatorem nauki.
***
Karol Jałochowski: – Najgłupszym pytaniem, jakie można zadać artyście, jest: Jaki jest pani/pana ulubiony kolor? Jaki jest zatem pański ulubiony kompozyt?
Andrzej Katunin: – Kompozyt węglowy! Ponieważ stosowany jest w lotnictwie i zaawansowanej motoryzacji, jest w nim coś elitarnego. Poza tym pięknie wygląda, ma ciekawą fakturę.
Tylko dlaczego jest taki drogi?
To kwestia czasu.
Drewno to kompozyt, beton zbrojony też. Cóż takiego niezwykłego jest we współczesnych kompozytach?
Materiały kompozytowe towarzyszą nam rzeczywiście od zarania dziejów, ale zdobywamy wreszcie umiejętność dowolnego projektowania ich właściwości.
Kiedy i gdzie dokonał się taki przełom?
Bardzo przyczynił się do niego postęp w dziedzinie technologii kosmicznych i lotniczych. Tam dokonywane są kluczowe odkrycia i stamtąd kompozyty wędrują na niższe szczeble zastosowań. Już w latach 70. ubiegłego wieku wiadomo było, że nie sposób zmniejszać masy samolotów – a więc i zasięgu, i udźwigu – bez użycia kompozytów. Są one ponaddwukrotnie lżejsze niż stopy aluminium.
Skoro kompozyty są takie fantastyczne, co nas powstrzymuje przed budowaniem z nich chociażby całych mostów?
Ależ nic! I już to robimy. Budownictwo to dziedzina dość konserwatywna. Na nowinki kompozytowe patrzy na razie niechętnie. Ale powstają np. mosty w całości wykonane z materiałów kompozytowych. I to jest przyszłość.
Jednorodne materiały przejrzeliśmy na wylot. Jak się bada kompozyty? Czy wszystko da się przewidzieć w komputerze?
Przewidywanie ich właściwości, a zwłaszcza żywotności, rzeczywiście jest wyzwaniem. Mimo ich powszechności nie istnieje uniwersalny model matematyczny. Jest w języku angielskim termin residual life, oznaczający to, ile w czymś pozostało jeszcze życia. W przypadku struktur kompozytowych określenie tego „pozostałego życia” jest kłopotliwe. Nawet zaawansowane modele numeryczne nie wystarczają i trzeba wykonywać eksperymenty, badania statyczne i zmęczeniowe. Sprawę komplikuje też tzw. efekt skali. Próbki nie dają wiedzy o zachowaniu struktur o większych rozmiarach. W lotnictwie stosuje się tzw. filozofię tolerancji usterki, fault tolerance philosophy. Defekty w np. kompozytowych kadłubach samolotów są nieuniknione, choćby z powodów degradacji materiału. I nic w tym złego. Gdybyśmy chcieli wszystkie je usuwać, samoloty nie opuszczałyby warsztatu. Trzeba tylko sprawdzać, czy defekty te nie są krytyczne dla integralności struktury i czy nie będą poszerzać swojego zasięgu.
Jak zbadać kadłub czy skrzydło, nie niszcząc ich przy okazji?
Właśnie tym głównie się zajmuję. Pierwszych oględzin dokonuje się gołym okiem. Inspektor przygląda się powierzchni samolotu. Można też przyjrzeć się samolotowi w podczerwieni.
Podgrzewacie taki samolot?
Na przykład. Oświetlamy krótkimi impulsami o mocy nawet kilkudziesięciu kilowatów. Wynikiem tych działań jest pobudzenie struktury – rozpraszanie dostarczanej energii w postaci ciepła, które można zarejestrować specjalną kamerą. Można też strukturę kompozytową wprawić w drgania. Tym też się zajmuję. Efektem pobudzenia są niewielkie różnice temperatury w obrębie defektów. To drugi etap badań. Trzecim, najbardziej dokładnym i wymaganym przy uzyskiwaniu certyfikatów, jest badanie ultradźwiękowe, w którym obecność usterki sygnalizowana jest przez nieregularności w rozpraszaniu i odbijaniu fal.
Jak często poddaje się samoloty tego typu testom?
Nie mam pewności… Na pewno regularnie stosuje się sprawdzoną metodę opukiwania kadłuba. Doświadczony inspektor wie, gdzie pukać i jakiego dźwięku się spodziewać w przypadku np. rozwarstwienia kompozytu. Takie oględziny wykonuje się po każdym lądowaniu.
Nie mówi pan, że samolot do lotów międzykontynentalnych dopuszczany jest do użytku po opukaniu monetą?
Ekipa inspektorów jest oczywiście wieloosobowa, doskonale skoordynowana. Wchodząc pod pokład, wie, którym elementom przyglądać się szczególnie uważnie. Ale oprócz monet ma też ze sobą proste kamery termowizyjne. W nowszych modelach samolotów instaluje się układy monitorujące. W ich strukturach zintegrowane są czujniki piezoelektryczne, światłowodowe, w sposób ciągły badające stan kluczowych elementów.
W przyszłości można sobie wyobrazić kompozyty, których integralną częścią są detektory?
Ta przyszłość już nastała. Kompozyty używane w Boeingu 787 czy Airbusie A350XWB, najbardziej zaawansowanych technologicznie modelach, już są naszpikowane tego rodzaju czujnikami. Co więcej, za pomocą sensorów piezoelektrycznych, które uginając się, generują impuls elektryczny, możemy nie tylko diagnozować strukturę kompozytu, ale i na niego na bieżąco wpływać. Jesteśmy w stanie wygiąć element piezoelektryczny tak, że potrafi powstrzymać rozprzestrzenianie się uszkodzenia kompozytu.
To przypomina trochę sieć układu nerwowego w tkankach organizmu.
Tak jest. Wiele nowych rozwiązań znajdujemy w przyrodzie. Podpatrując powstawanie pajęczyny, wpadliśmy na pomysł umacniania polimerów włóknami.
Nie jest to frustrujące, że nasze fantastyczne pomysły pajączki w dżungli amazońskiej wyplatają już od milionów lat?
To raczej motywujące! Tyle jeszcze zostało nam do podpatrzenia.
Są wśród kompozytów stworzonych przez człowieka dzieła autorskie, nieinspirowane naturą?
Hmm… Trudno byłoby znaleźć taki kompozyt.
Zdaje się, że nawet my jesteśmy zbudowani z kompozytów, czyli z kości?
Oczywiście. To dobrze nam znany tzw. kompozyt przekładkowy. Podobne stosowane są zresztą w lotnictwie i przemyśle kosmicznym.
Udało nam się wymyślić kompozyt bezkonkurencyjny wobec tego, co proponuje przyroda?
Nawet jeśli korzystamy z jej pomysłów, idziemy znacznie dalej. Możemy już sterować właściwościami kompozytów. I stają się one prawie nieograniczone. Coraz popularniejsze stają się np. kompozyty gradientowe, czyli takie, w których właściwości „rozmieszczone” są nierównomiernie, stosownie do obciążeń. Takie niejednorodne kompozyty są jeszcze lżejsze od klasycznych.
Świat za 50 lat będzie cały kompozytowy?
To bardzo prawdopodobne, choć budownictwo dopiero się na nie otwiera. Na pewno będzie rosła rola kompozytów z nanostrukturami (nanorurkami, grafenem itd.), czegoś bardzo dziś kosztownego i niedostępnego dla gałęzi przemysłu dysponujących niższymi budżetami. Takie nanokompozyty będą miały zupełnie nowe, zaskakujące właściwości, związane np. z przewodnictwem prądu elektrycznego.
Projektowaniem podobnych, specjalnych materiałów pan się właśnie zajmuje?
Wymyślony przez nas kompozyt oprócz tego, że jest wytrzymały, przewodzi prąd elektryczny i dobrze rozprasza ciepło. Stosować go można do konstrukcji samolotów, bo spełnia funkcję odgromową. Jego osnowę stanowi połączenie polimeru przewodzącego i nieprzewodzącego. Polimer przewodzący ma kiepskie właściwości mechaniczne i dopiero w połączeniu z dielektrykiem daje kompozyt nadający się do konstrukcji samolotów. Prowadząc symulacje komputerowe, określiliśmy proporcje składników. Nieoczekiwanie partner biznesowy podsunął nam jeszcze jedną myśl. Nasz polimer potrafi także ekranować pola elektromagnetyczne, co czyni go kandydatem na element konstrukcyjny do zaawansowanych dronów (wojskowych, policyjnych czy przemysłowych).
OK, a wracając do kompozytów węglowych: wytłumaczy mi pan, dlaczego wciąż nie stać mnie na rower z karbonową ramą?
To niekoniecznie ma związek z samym materiałem. W lotnictwie np. niebywale kosztowny jest proces certyfikacji. Cena struktury kompozytowej z certyfikatem może być dwukrotnie wyższa od dokładnie takiego samego kompozytu bez certyfikatu. Wydaje mi się też, że producenci sprzętu sportowego dostrzegli, że jest grupa klientów skłonna zapłacić dowolnie wysoką cenę za podobne elementy. Do ich wytwarzania stosuje się wyrafinowane i kosztowne metody (wielkie piece, podciśnienie, złożone cykle wygrzewania). W lotnictwie ma to kluczowe znaczenie dla bezpieczeństwa. Ale w rekreacji niekoniecznie przekłada się na osiągi. Bardziej chodzi o podkreślenie statusu majątkowego użytkownika.
Elementy kompozytowe są niemal nieśmiertelne. To plus, ale i minus, bo może kiedyś będziemy chcieli się ich pozbyć. Czy kompozyty są „zielone”?
No właśnie… Najczęściej spotykane polimery łatwo zutylizować. To materiały organiczne. Problem jest z włóknem, np. bazaltowym, stosowanym w przemyśle kosmicznym, które nie poddaje się łatwo wysokim temperaturom. Ale w odpowiedzi na zapotrzebowanie powstają też kompozyty bardziej ekologiczne, umacniane włóknami roślinnymi, np. konopnymi. Mają gorsze właściwości mechaniczne, więc nie wykorzystuje się ich w elementach nośnych, tylko np. dekoracyjnych, także w lotnictwie, tak jak w kabinach Embraerów.
Nie obawia się pan, że kompozyty okażą się „eternitem przyszłości”?
Gdzie tylko potrafimy, wprowadzamy kompozyty zielone. Procesy recyklingu też się rozwijają. Jestem dobrej myśli.