Hypergravitace pomáhá vyrábět nové typy materiálů

Snižování hmotnosti je směr, kterým se dnes ubírá nejen automobilový průmysl. Obrovský potenciál má také v řadě dalších oborů. Evropská vesmírná agentura ESA podporuje výzkum nových slitin a nanotechnologií s potenciálem snížit až o 45 % hmotnost turbín pro letectví a energetiku.

Letecká doprava stojí dnes co do energetické náročnosti na nejvyšších příčkách, hned po dopravou vesmírnou. Letadla jsou extrémně náročná a drahá na provoz. Konstruktéři se proto snaží najít cesty jak tyto náklady snížit – a jednou z nich jsou i nové, lehčí a odolnější materiály.

Evropská vesmírná agentura (ESA) ve spolupráci s Evropskou komisí ustanovila v roce 2004 výzkumný program IMPRESS. Jde o velmi rozsáhlý multioborový program s rozpočtem 41 mil. euro na pět let, který sdružuje 40 výzkumných skupin a společností.

Celkem se programu účastní na 150 vědců z 15 zemí (vč. např. Slovenska a Ruska, ale vyjma České republiky), kteří mají za úkol jediné: nacházet zajímavé nové materiály a především pak vynalézat cesty, jak tyto materiály v průmyslovém měřítku a relativně levně vyrábět.

Program se zaměřuje na tzv. intermetalické materiály, tedy ty, které kombinují několik různých typů kovů. Nejčastěji je to hliník a titan, což jsou shodou okolností také dva nejčastěji využívané kovy v letectví. Důvodem je jejich lehkost a pevnost. Zkoumají se ale také sloučeniny niklu a hliníku.

Cílem vědců sdružených v programu IMPRESS je pochopit kritická spojení mezi procesy tuhnutí intermetalických slitin, strukturou těchto materiálů na mikro- a nano-úrovni a jejich konečnými mechanickými, chemickými a fyzikálními vlastnostmi.

V oblasti průmyslových aplikací se tento výzkum primárně věnuje dvěma směrům: lopatkám pro plynové turbíny (tj. letectví a energetika) a katalytickým zařízením (tj. např. palivové články). Konečným cílem je pak tedy odlít lopatky z TiAl sloučenin a vyvinout katalytické houbovité niklové prášky pro vodíkové a alkalické palivové články.

Jak se v průběhu let ukázalo, technologie odlévání ještě není tak pokročilá, aby si dokázala poradit s těmito novými materiály, a tak bylo nutné se zaměřit jak na samotné nové materiály, tak i na technologii jejich odlévání.

Pro experimenty s novými materiály a jejich tvorbou se dnes velmi často využívá mikrogravitace. Tedy proces, kde odlévání či jiné způsoby tvorby materiálu probíhají například během volného pádu. V případě nových Ti-Al slitin se ale ukázalo, že je třeba využít naopak hypergravitaci.

ESA proto využila velké odstředivky ve výzkumném středisku ESTEC v Nizozemsku. Vědci zjistili, že zatímco za normálních podmínek je velmi obtížné odlít z nových Ti-Al materiálů kvalitní odlitky, za využití centrifugy a hypergravitace je odlitek perfektní, a to i při požadavku na velmi komplexní tvary.

Vědci tak už dnes pracují na komerčním nasazení této výrobní technologie do výrobních procesů. Díky tomu pak bude možné odlévat i další součástky turbín než jen lopatky. Díky tomu se hmotnost nízkotlakých turbín bude moct snížit o 40-50 %. To bude znamenat vyšší účinnost a nižší spotřebu paliva jak v letectví, tak i energetice. Navíc by měly mít nové turbíny i delší životnost.

Celý program IMPRESS má podle jeho účastníků obrovský potenciál. Může postrčit evropský průmysl na přední světovou úroveň v oblasti výroby turbín a palivových článků. Zároveň tento program přinese významné úspory v oblasti dopravy a energetiky.