Od fúzních reaktorů k 3D tisku

Jak se vysokoentropické slitiny vyrábí a jak vypadá výzkum pomocí rentgenové difrakce v praxi, uslyšíte v naší zvukové reportáži.

Nadšení pro vědu svítí Františku Lukáčovi z očí. Hned, jak se s ním na vrátnici Ústavu fyziky plazmatu AV ČR potkávám, mi nadšeně ukazuje zdejší laboratoře. Až mě dovede do té své. Vévodí jí zařízení, které mi připomíná prosklenou skříň s větrákem uprostřed. Právě práce s ním je náplní jeho výzkumné práce. „To je přístroj, který měří práškovou rentgenovou difrakci. To kolo, které vám připomíná větrák, je goniometr, na kterém se pohybuje zdroj tvrdého rentgenového záření a detektor, který zachytí difraktované záření od toho vzorku, který je uprostřed,“ snaží se mi vysvětlit, načež mi na obrazovce počítače na stole ukazuje graf s několika linkami. Podle toho, jaké ty linky vytváří hroty, poznává vlastnosti zkoumaného materiálu.

„Věnuji se novému druhu slitin,“ vysvětluje mi dále mladý vědec. „Doteď se dělaly materiály založené na jednom prvku. Třeba železo – ocele, hliník – duraly a podobně. Pak se dělala intermetalika, která měla úplně jiné vlastnosti, než ty původní prvky, které smícháte. My mícháme dokonce pět prvků o stejném poměru. Člověk úplně neví, co se stane, ale je to velice zajímavé z vědeckého hlediska, protože ty materiály můžou dělat různý mix vlastností.“ A dozvídám se, že na vlastnosti výsledné slitiny má vliv, jaká přesně teplota při její výrobě panovala, jak dlouho ta teplota trvala, za jakého tlaku slévání probíhalo i to, v jaké to bylo atmosféře. Takže i když slitina má pořád stejný poměr prvků, a tedy i chemické složení, může mít celou řadu odlišných vlastností. A právě to, která vlastnost je čím způsobena, František Lukáč pomocí rentgenové difrakce zjišťuje.

A že ty vlastnosti můžou být hodně zajímavé. „Když si uděláme slitinu s fází, která je hodně tvrdá, a pak s fází, která je hodně tvárná, tak ta výsledná slitina bude mít obě vlastnosti zároveň. Objevil se i materiál, jehož vlastnosti se zlepšují se snižováním teploty. I v tekutém dusíku se chová jako dobře obrábitelný materiál, který nekřehne a nedělá trhliny,“ popisuje vědec. Jedním dechem ale zdůrazňuje, že jde teprve o základní výzkum. Jeho cílem tedy není hned vyrobit konkrétní materiál, ale prozkoumání toho, co se se slitinami děje, když se při jejich výrobě něco pozmění.

Největší pozornost František Lukáč zaměřuje na slitinu titanu, zirkonu, hafnia, niobu a tantalu. Vyznačuje se vysokou teplotou tání – 2200 stupňů Celsia. Praktické využití je sice ještě vzdálené, ale přece jen už na obzoru. „Všimli si nás partneři, kteří nás zahrnuli do velkého konsorcia patnácti institutů a firem, a zkoušíme podávat evropský grant na to, aby se tyhle materiály zkusily ve fúzních nebo jaderných reaktorech. Jsou sice hodně drahé, ale může se ukázat, že jsou výhodnější než současné materiály,“ doufá vědec.

Ústav fyziky plazmatu provozuje fúzní reaktor COMPASS a zároveň se významně podílí na výstavbě obřího tomakaku ITER ve Francii. Ten by měl zodpovědět mnoho otázek nejen ohledně samotné termojaderné fúze a její využitelnosti v energetice, ale také o materiálech k výrobě reaktoru použitých.

Další uplatnění může Lukáčem zkoumaná slitina mít i ve vodíkových technologiích. Ukazuje se totiž, že do sebe dobře váže vodík. Je sice příliš těžká na to, aby se používala například v autech, ale mohla by se použít na uchovávání vodíku v kovech. Kvůli drahým materiálům by tato technologie sice byla nákladná, ale může se ukázat, že z hlediska kapacity a dlouhodobé výdrže se dlouhodobě vyplatí.

Výzkum vysokoentropických slitin nemusí vést jen k vytvoření nových materiálů, ale i k vylepšení výrobních postupů. Slitina se pomocí difrakčního rentgenu zkoumá buď jako kus kovu, tedy ingot, nebo jako tenký plíšek, případně jako prášek. Právě výroba prášku je nesmírně náročná. Prostým obroušením ingotu získat nejde – při reakci se vzdušným kyslíkem by mohl shořet. Získává se tedy náročnou atomizací nebo speciálním mletím. A jak už víme, i výrobní postupy ovlivňují vlastnosti materiálu a František Lukáč je dokáže odhalit. Věří, že takto přispěje k vyvinutí kovového 3D tisku. Vždyť vstupní materiál do 3D tiskáren má právě podobu prášku. „Problém 3D tisku je, že ten prášek nemáte pod tlakem, takže tam máte póry, které můžou oxidovat a podobně,“ přibližuje Lukáč.

Vzhledem k tomu, že se zabývá výzkumem vlastností kovů, František Lukáč věří, že může přijít na to, jak kovový prášek připravit tak, aby byl v 3D tiskárnách použitelný. A tak, když se nám doma jednou rozbije například vodovodní baterie, jednoduše si ji vytiskneme. „I s fontánkou,“ uzavírá s úsměvem Lukáč.

Nezapomeňte si poslechnout i naši zvukovou reportáž.