Bevezető
A technikai civilizációnk gerincét a speciális, célorientált
tulajdonságokkal rendelkező anyagok jelentik. Gondoljunk arra, hogy
1945-ben a repülőgép-gázturbinák élettartama csak néhányszor tíz óra
volt, ma pedig több ezer óra, amit a közben kifejlesztett hőálló
ötvözetek alkalmazása tesz lehetővé. Az új anyagok kifejlesztése és
ipari bevezetése hagyományosan hosszadalmas folyamat, akár egy
évtized is eltelik, mire felfedezése-kifejlesztése után megjelenik a
piacon egy új anyag. Ennek oka, hogy az ipari hasznosulásig számos
lépés megtétele szükséges: ez egy komplex folyamat, ami magában
foglalja az alapkutatási, anyagtervezési, optimalizálási háttér
meglétét, a kísérleti ellenőrzést, a gyártástechnológia
kidolgozását, a meghibásodási teszteket, és a gazdaságossági
számítások hosszú és költséges sorozatát. Az ehhez szükséges
infrastruktúra kiépítésére, fenntartására és működtetésére a
legnagyobb ipari cégek is csak korlátozottan képesek, így az már
kormányzati feladat. Ennek felismerése arra ösztönözte az amerikai
kormányzatot, hogy stratégiát dolgozzon ki az új anyagok
felfedezésének és alkalmazásba vételének felgyorsítására, melynek
főbb elemeit az amerikai kongresszus által 2011-ben jóváhagyott
Materials Genom Initiative program foglalja össze (URL1). Ennek
keretében felvázolják, hogy milyen módon hozható létre az az
infrastruktúra, mely biztosítja, hogy a megfelelő kísérleti
eszközök, adatbázisok, prediktív modellek, és kiképzett
kutatószemélyzet hosszú távon rendelkezésre álljon a különleges
tulajdonságokkal rendelkező anyagok kifejlesztésére és azok ipari
hasznosításának megkönnyítésére. Ezen program célja, hogy
biztosítsa/növelje az Egyesült Államok versenyelőnyét a világ többi
gazdaságával szemben. A program megfogalmazásából világosan látszik
az a felismerés, hogy az alapkutatás, amely gondoskodik az új
lehetőségek felismeréséről és a tudományos anyagtervezés eszközeinek
létrehozásáról (prediktív matematikai modellek és numerikus
implementációik, adatbázisok), alapvető szerepet játszik ebben a
struktúrában. Az Európai Unió erre adott válaszát a közelmúltban
induló Metallurgy Europe EUREKA program fogalmazza meg (URL2), amely
azonosította azokat a területeket, melyeknél hasonló szervezett
tevékenységre van szükség, és lépéseket tesz arra, hogy európai
skálán koordinálja azokat.
A tudományos anyagtervezés szükségképpen széles
méret- és időskálákat ölel fel, melyek az atomi méretektől (10−10 m)
az ipari méretekig (1 – 100 m), illetve a 10−15 másodperctől az órás
vagy akár hónapos, éves időtartamokig terjednek. Ennek megfelelően,
az anyag tulajdonságainak leírására szolgáló modellek hasonlóan
széles skálája szükséges, ami a fázisdiagramok kvantummechanikai
számolásától a hibaszerkezet mérnöki skálán történő leírásáig
terjed. A számítástechnika rohamos fejlődésével a fenti láncolat
egyre több eleme válik kezelhetővé, mindennapi szinten elérhetővé;
ebben a szuperszámítógépek, illetve a lokális CPU- (Central
Processing Unit) és GPU- (Graphics Processing Unit) klaszterek
elterjedése döntő szerepet játszik. Ugyanakkor sok esetben még
alapkutatásra, például a megfelelő matematikai leírás kidolgozására
is szükség van, mint például a polikristályos anyagok
mikroszerkezeti leírása esetén. Mint ismeretes, a technikai
ötvözeteink jelentős része polikristályos, azaz nagyszámú
kristályszemcséből épül fel, melyek szerkezet-, összetétel-, méret-
és alakeloszlása, együttesen „mikroszerkezete” határozza meg az
adott anyag tulajdonságait. A mikroszerkezet a megszilárdulás és az
azt követő hőkezelések során jön létre, melynél a folyamat leírására
alkalmas matematikai modellek kidolgozása jelenleg is kutatás
tárgyát képezi. Az ilyen típusú matematikai modellek kifejlesztése
kiemelt szerepet játszik a Materials Genome és Metallurgy Europe
programokban. A matematikai modellek kísérleti ellenőrzése,
validációja ugyancsak alapvető fontosságú, melynél a kísérleti
módszerek széles körére támaszkodhatunk, melyek között számos olyan
van, amelyet csak nemzeti szinten vagy nemzetközi összefogásban
lehet fenntartani, működtetni. Ezek közé tartoznak a
részecskegyorsítók, szinkrotronok, nukleáris kutatóreaktorok,
röntgenlézerek, de a tartós súlytalanságban (űrben) végzett
mikrogravitációs kísérletek is.
Anyagtudomány az űrben
A mikrogravitációban végzett kísérletek unikális lehetőséget
nyújtanak olyan anyagtudományi problémák megoldásában, amelyek
máshogy nehezen vagy egyáltalán nem tisztázhatók. A mikrogravitációs
környezet előnyei: (i) nem szükséges konténer; (ii) a
fajsúlykülönbségen alapuló konvektív áramlások nagyságrendekkel
kisebbek; (iii) tiszta környezet. Az anyagok konténermentes
(lebegtetéses) olvasztása/megszilárdítása a technológiai
gyakorlatban megszokottnál jóval nagyobb túlhűtés (olvadásponttól
való távolság) megvalósítását teszi lehetővé, ami az egyensúlyi
fázisdiagramban nem jelenlevő ún. metastabil fázisok relatív
mennyiségének kontrollálására használható, lehetővé téve például a
metastabil fázisokból felépülő ún. in situ nanokompozitok
tulajdonságainak optimalizálását. A mikrogravitációs környezet másik
alapvető jellemzője, hogy a fajsúlykülönbség miatti áramlások
nagyságrenddel kisebbek, ami a megszilárdulás során fellépő fizikai
folyamatok kísérleti szétválasztását teszi lehetővé, s így a
kísérletek értelmezése lényegesen egyszerűbb. Ezek az előnyök
motiválják az ESA kiterjedt anyagkutatási aktivitását a Microgravity
Application Promotion Program (MAP) keretében, illetve az ESA által
koordinált és az EU-val társfinanszírozott EU FP7-projektekben,
melyek a repülőgépipar, űripar, autóipar, energetikai- és műszeripar
részére fejlesztenek új, a korábbiaknál jobb anyagokat,
|
|
amelyek versenyképesebbé tehetik az európai ipart
az amerikai, japán és kínai versenytársakkal szemben. Bár az
űrkísérletek meglehetősen drágák, sok esetben indokolt az
alkalmazásuk a várható haszon fényében. Az MTA Wigner Fizikai
Kutatóközpontjában (Wigner FK) működő Számítógépes Anyagtudományi
Csoport több mint egy évtizede vesz részt ilyen jellegű
kutatásokban, melyeknél a mikroszerkezet kialakulásának matematikai
modellezésével (1. kép)
támogatták/támogatják az űrkísérletek értelmezését. Így többek közt
hozzájárultak a magasabb üzemi hőmérsékleten működő
gázturbinalapátok létrehozásához, valamint a javított tulajdonságú
lágy- és keménymágneses anyagok, az ólommentes önkenő
csapágyanyagok, az in situ nanokompozitok, és a speciális optikai
tulajdonsággal rendelkező szubmikronos mintázatú, ún. eutektikus
metaanyagok kifejlesztéséhez. A polikristályos megszilárdulás
leírására létrehozott térelméleti modellek nemzetközi szintű
elismertséget hoztak a kutatócsoportnak, ami a rangos folyóiratokban
megjelent magasan hivatkozott cikkekben (Gránásy et al., 2003,
2004a, 2004b, 2005, 2014, Emmerich et al., 2012), az eredmények
folyóiratcímlapokon való megjelenésében (kilenc címlap), és a
nagyszámú meghívott előadásban (~70) tükröződik. A Wigner FK kutatói
ezen tevékenységüket Magyarország Európai Űrügynökséghez való
csatlakozása után nemzetközi együttműködésben tervezik folytatni a
jelenlegi, illetve jövőbeli MAP-konzorciumok tagjaiként, ami
kívánatossá teszi Magyarország részvételét az ELIPS (European
Programme for Life and Physical Sciences in Space) emberes
űrkutatási programban.
Míg az említett űr-anyagtudományi kutatások
elsősorban európai kooperációban hasznosultak/hasznosulnak, a
közelmúlttól kezdődően erőfeszítések történnek a felgyűlt
tapasztalatok hazai hasznosítására is. 2014-ben a Wigner FK
Számítógépes Anyagtudományi Csoportja és az Aluinvent Zrt.
informális együttműködést kezdett az alumíniumalapú habok
vizsgálatára és fejlesztésére. Ezek a fémhabok forradalmi újdonságot
jelentenek az alkalmazások szempontjából. Tipikus sűrűségük
kevesebb, mint harmada a tömbi alumíniuménak (úsznak a vízen). Ennek
ellenére keresztmetszeti teherbírásuk alig harmadával kisebb a tömbi
anyagénál. Széles körű elterjedésük áttörést jelenthetne az anyag-
és energiatakarékosság területén, de határozott érdeklődés
mutatkozik a hadiipar, a repülőipar, autóipar, építőipar stb.
részéről is. A formális együttműködés kereteinek kiépítése
folyamatban van: a fémhabok-témakör részét képezi a Metallurgy
Europe EUREKA Programnak, ahol a fémhabokkal kapcsolatos aktivitást
az Aluinvent Zrt. alelnöke (Dr. Babcsán Norbert) koordinálja, míg a
folyamatmodellező erőfeszítések egyik koordinátora a Wigner FK
Számítógépes Anyagtudományi Csoportjának vezetője (Prof. Gránásy
László).
A várakozások szerint az űrkísérletek kritikus
fontosságú információt szolgáltathatnak a habképződés folyamatának
megértéséhez: A fémhabok a megszilárdulás és a hab falaiban történő
komplex áramlási jelenségek közti versengés során jönnek létre, mely
versenyfutás eredménye határozza meg a megszilárdult fémhab
tulajdonságait. A mikrogravitációs kísérletekben szétcsatolhatók
lennének a felületi feszültségből származó kapilláris hatások a
gravitációs effektusoktól, elősegítve így a folyamatok jobb
megértését, és a tudományos anyagtervezés megalapozását ezen a
területen. Ez a kutatás versenyelőnyhöz juttathatná a magyar
alumíniumipar ezen új, dinamikusan fejlődő, innovatív ágát. Így
kívánatos, hogy a fémhabok vizsgálata mikrogravitációs környezetben
téma az Európai Űrügynökséghez való csatlakozás során formálódó
magyar űrkutatási program szerves része legyen.
Kulcsszavak: űrkutatás, Európai Űrügynökség, űrbeli
anyagtudomány, számítógépes anyagtudomány, mikrogravitáció, új
anyagok, nanokompozitok, metaanyagok, ólommentes csapágyanyagok,
fémhabok
IRODALOM
Emmerich, Heike – Löwen, H. – Wittkowski,
R. et al. (2012): Phase-field-crystal Models for Condensed Matter
Dynamics on Atomic Length and Diffusive Time Scales: An Overview.
Advances in Physics. 61, 665-743. DOI: 10.1080/00018732.2012.737555
•
WEBCÍM
Gránásy László – Pusztai T. – Warren, J.
A. – Douglas, J. F. et al. (2003): Growth of ‘Dizzy Dendrites’ in a
Random Field of Foreign Particles. Nature Materials. 2, 92-96. DOI:
10.1038/nmat815
Gránásy László – Pusztai T. – Warren, J.
A. (2004a): Modelling Polycrystalline Solidification Using Phase
Field Theory. Journal of Physics: Condensed Matter. 16, R1205−1235.
DOI: 10.1088/0953-8984/16/41/R01
Gránásy László – Pusztai T. – Börzsönyi T.
et al. (2004b): A General Mechanism of Polycrystalline Growth.
Nature Materials. 3, 645-650. DOI: 10.1038/nmat1190
Gránásy László – Pusztai T. – Tegze G. et
al. (2005): Ont he Growth and Form of Spherulites. Physical Review E
72, 011605. DOI: 10.1103/PhysRevE.72. 011605 •
WEBCÍM
Gránásy László – Podmaniczky F. – Tóth Gy.
I. et al. (2014): Heterogeneous Nucleation of/on Nanoparticles: A
Density Functional Study Using the Phase-field Crystal Model.
Chemical Society Review. 43, 2159−2173. DOI: 10.1039/c3cs60225g
Gránásy László – Tóth Gyula I. (2014):
Crystallization: Colloidal Suspense. Nature Physics. 10, 12−13.
DOI:10.1038/nphys2849
URL1: Materials Genome Initiative
for Global Competitiveness. National Science and Technology Council,
USA, 2011. Az Obama-adminisztráció évi mintegy 100 millió USD
összeget allokált a programra.
URL2: Európai Tudományos Alapítvány
Anyagtudományi és Mérnöki Expert 3 Munkacsoport (ESF-MatSEEC)
Metallurgy Europe – A Reneissance Program for 2012–2022 című
tanulmánya •
WEBÍCM • An ESF-MatSEEC Science
Position Paper (05.07.2012). A kiadvány 7. ábráján látható
szimuláció a Wigner FK Számítógépes Anyagtudományi Csoportjából
származik. A hozzá tartozó animáció az ESA honlapján tekinthető meg
WEBCÍM
|
|