Od fúzních reaktorů k 3D tisku

Jsou tvrdé, ale tvárné. Dají se bez problémů obrábět v tekutém dusíku, ale nezničí je ani termojaderná fúze. A jen tak mimochodem přispívají k tomu, že jednou si na 3D tiskárně vytiskneme třeba vodovodní baterii. Řeč je o tzv. vysokoentropických slitinách. Jejich vlastnosti neovlivňuje jen jejich složení, ale i podmínky při jejich výrobě, třeba teplota a tlak. Jedním z odborníků, kteří se jimi zabývají, je František Lukáč. Působí na Ústavu fyziky plazmatu Akademie věd ČR a snaží se přijít na to, které podmínky mají vliv na které vlastnosti. O tom, že se mu daří, svědčí mimo jiné to, že letos za svou práci získal cenu pro mladé vědce Prémii Otto Wichterleho.

Daniel Mrázek ikona hodiny2. 10. 2021 07:00
Foto: Shutterstock.com Model fúzního reaktoru Foto: Shutterstock.com

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.

Foto: Daniel Mrázek František Lukáč Foto: Daniel Mrázek

Nový materiál pro fúzní reaktory

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.

Foto: Daniel Mrázek Vzorky slitin Foto: Daniel Mrázek

Vedlejší produkt: 3D tisk kovu

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.

Nejnovější články

Videa & Podcasty
Náš trh vůbec není připravený na GMO. Chyba

Nová aplikační laboratoř umožní zemědělcům zachovat pěstování lokálních...

Ke geneticky modifikovaným rostlinám se značná část veřejnost...

Tehdejší zemědělce vedla myšlenka zajistit co nejvíce úrody,...

Jak BFÚ informuje ve své tiskové zprávě, českým...

Ocenění
Sazka je nejlepším zaměstnavatelem uplynulé dekády

„Z umístění na samotném vrcholu žebříčku zaměstnavatelů mám...

Hodnocení Zaměstnavatel roku se již od roku 2003...

Expertní pohled
Novelu stavebního zákona trhá připomínkové řízení

„Určitě si všichni dobře pamatujeme, že ke stavebnímu...

Především ale ministr Bartoš nemá pravdu v tom,...

Bylo tvrzeno, že neexistuje problém systémové podjatosti a...

Stejně tak se města a obce nedočkají novely...

Pokud stále doufáte, že to celé zachrání tolik...

Nejnovější Aktuality

Videa & Podcasty
Náš trh vůbec není připravený na GMO. Chyba

Nová aplikační laboratoř umožní zemědělcům zachovat pěstování lokálních...

Ke geneticky modifikovaným rostlinám se značná část veřejnost...

Tehdejší zemědělce vedla myšlenka zajistit co nejvíce úrody,...

Jak BFÚ informuje ve své tiskové zprávě, českým...

Videa & Podcasty
Pomoc cestovnímu ruchu a rozvoj digitalizace

Během prvního výletu do Bruselu se Ivan Bartoš...

Aktuality
Z nebezpečného mostu je spolehlivá dopravní tepna

„Hlavním úkolem projektu byla oprava všech závad bez...

Řidiči během rekonstrukce mostu využívali objížďku přes most...