Naukowcy z Polski pracują nad ultralekkimi metalami zbrojonymi gazem. Mogą one być wykorzystywane w budowie silników rakietowych

Przemysł ma coraz wyższe wymagania wobec stosowanych metali, dlatego naukowcy szukają z jednej strony metod na zwiększenie ich wytrzymałości, a z drugiej strony – na zmniejszenie ich masy. Badacze z Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie pracują nad gazarami, czyli metalami, które są zbrojone gazem, a konkretnie wodorem. Te wytwarzane w bardzo skomplikowanych warunkach materiały są superlekkie, ale jednocześnie wykazują zdolności do pochłaniania energii, tłumienia drgań i fal akustycznych, z jednej strony dobrze przewodzą ciepło, a z drugiej mogą też stanowić barierę dla dyfuzji cieplnej; tolerują także wyższe temperatury w zależności od metalu bazowego, z którego są wykonane. Takimi rozwiązaniami jest zainteresowany przemysł kosmiczny, m.in. do budowy silników rakietowych.

– Gazary to nowa grupa materiałów łącząca rzeczy, zdaje się, nie do połączenia, a mianowicie metal z gazem. W naszym przypadku jest to metal z wodorem. To materiały, które zawierają nawet do 70 proc. objętości wodoru, wytwarzane w bardzo trudnych, skomplikowanych warunkach. Są superlekkie, ale mają nieprawdopodobny zespół cech materiałowych. Świetnie pochłaniają dźwięki, energię, bardzo dobrze przenoszą wyższe temperatury, jeżeli są na bazie ceramiki, a ponadto bardzo dobrze sprawują się tam, gdzie masa jest wartością kluczową – informuje w rozmowie z agencją Newseria prof. dr hab. inż. Jerzy Sobczak z Wydziału Odlewnictwa Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. 

– Do ciekłego metalu wtłacza się gazowy wodór. Po zakończonym procesie otrzymuje się metal lekki i prawie przezroczysty. W środku ma drobne kanaliki ułożone zgodnie z potrzebami zamawiającego. Wygląda naprawdę niezwykle. Taki materiał w jednym kierunku dobrze przewodzi ciepło, a w drugim wyjątkowo źle – wyjaśnia dziennikarz Wiktor Niedzicki, który w ramach cyklicznych spotkań Good Morning Science rozmawiał o tych nowoczesnych materiałach z profesorem Sobczakiem.

Gazary, czyli porowate materiały metalowe, mogą zrewolucjonizować szereg gałęzi przemysłu. Pozwalają bowiem zwiększać wytrzymałość elementów przy jednoczesnej redukcji masy, co jest cechą pożądaną na przykład w przemyśle kosmicznym, zbrojeniowym czy motoryzacyjnym.

– Przemysł samochodowy dąży do tego, żeby materiały, z których wytwarzane są części do różnego typu pojazdów, były wytrzymalsze, a jednocześnie lżejsze, żeby stosunek wytrzymałości do gęstości był jak największy. I to jest aktualnie główny cel innowacji w całym przemyśle światowym – wskazuje prof. Jerzy Sobczak. – Na razie zapotrzebowanie na gazary nie jest duże, ale pracujemy nad tym.

Gazary zostały opracowane w latach 70. na Ukrainie. Zintensyfikowane prace nad rozwojem technologii ich wytwarzania trwają od początku lat 90., kiedy w USA został zarejestrowany patent. Prowadzi je tylko kilka ośrodków na świecie, m.in. Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie i Instytut Metalurgii i Inżynierii Materiałowej PAN. Badania nad tymi materiałami rozpoczęły się w drugiej połowie lat 90. i od początku przewodniczy im prof. Jerzy Sobczak.

– Na Wydziale Odlewnictwa AGH robimy wszystko, aby ta dziedzina wytwarzania i badań gazarów stała się czymś istotnym, a nawet wiodącym również w inżynierii materiałowej, dlatego że zahacza o tzw. technologie wodorowe. Do wytwarzania gazarów potrzebny jest wodór, ale jak zwykle na świecie bywa, nic, co piękne, nie jest łatwe. W związku z czym staramy się robić wszystko, żeby nasze plany i zamiary stały się rzeczywistością. Przed nami jeszcze bardzo daleka droga – podkreśla naukowiec.

Jego zespół m.in. w byłym Instytucie Odlewnictwa wytwarzał gazary, również na potrzeby Europejskiej Agencji Kosmicznej.

– To, co ostatnio nam się udało wytworzyć, znacznie przekracza to, co miała do tej pory światowa teoria i praktyka nauki. Poszliśmy w kierunku tak zwanych gazarów hybrydowych, czyli zbrojonych nie tylko gazem, ale także zawierających różnego rodzaju wstawki, takie jak siatki tytanowe czy elementy wykonane z aerożelu – mówi badacz.  – Mam nadzieję, że w niedługim czasie świat usłyszy nieco więcej o naszych pracach.

Naukowcy pod przewodnictwem prof. Jerzego Sobczaka w ramach projektu finansowanego przez Narodowe Centrum Nauki zbudowali ponadto mobilne stanowisko do badań właściwości ciekłych metali, stopów, szkieł, żużli i innych substancji w szerokim zakresie temperatury topnienia. Za to urządzenie otrzymali Złoty Medal Targów ITM Industry Europe 2021, które niedawno odbyły się w Poznaniu.

– W tej chwili uruchamiamy to unikatowe mobilne urządzenie. Mamy nadzieję, że znacznie rozszerzy ono nasze możliwości poznania i dalszych badań oraz wytwarzania jeszcze lepszych, jeszcze bardziej wyszukanych materiałów o unikatowych właściwościach, w tym gazarów – dodaje prof. Jerzy Sobczak.

Naukowiec z Wydziału Odlewnictwa Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie był gościem Good Morning Science – comiesięcznego spotkania w ramach inicjatywy klubu Trend House, założonego przez Fundację Venture Café Warsaw. Misją klubu jest łączenie innowatorów i rozwiązywanie ważnych problemów społecznych, ekonomicznych i technologicznych. Trend House obecnie liczy ponad 160 członków, w tym osobistości ze świata nauki, biznesu i ekosystemu innowacji.