Znajdź zawartość

Aluminium jak lekki metal ma wiele zalet, ale z wytrzymałością się nie kojarzy. Tym bardziej, jeśli nadamy mu strukturę gąbki. Ale pozory mylą, z odpowiednią domieszką aluminium okazuje się wystarczająco mocne, aby zastąpić stal w konstrukcji statków morskich. Technologię opracowali niemieccy naukowcy z Fraunhofer Institute w Chemnitz. Mieszanina sproszkowanego aluminium i wodorku tytanu tworzy materiał, który pod wpływem ciepła rośnie, przybierając strukturę gąbki, a zarazem nabierając wytrzymałości i sztywności. Kolejna jego cecha to sposób, w jaki potrafi łączyć się z innymi metalami, która pozwoliła stworzyć warstwowy materiał, idealny do budowy kadłubów statków. Mieszanina sproszkowanego aluminium i wodorku tytanu jest prasowana, a następnie umieszczana pomiędzy dwiema stalowymi płytami. Po poddaniu całości temperaturze powyżej 650º C aluminium pęcznieje i tworzy całość ze stalowymi płytami bez używania żadnych środków łączących. Taki materiał jest o trzydzieści procent lżejszy od stali i wystarczająco mocny, aby zbudowane z niego statki mogły pływać nawet po morzach północnych i wytrzymywać nacisk kry. We współpracy z fińskim kapitanem, Veikko Hintsanenem powstał już pierwszy statek z kadłubem wykonanym z nowego materiału. „Bioship 1", jak został nazwany, ma być rewolucją w fińskim transporcie wodnym. Lżejszy o 30 procent kadłub oznacza bowiem możliwość zwiększenia użytecznego ładunku, rzadsze rejsy, mniejsze zużycie paliwa i wreszcie mniejszą emisję spalin. Bioship 1 ponadto napędzany jest nie olejem, lecz ciekłym gazem (LNG), co likwiduje ryzyko zanieczyszczenia środowiska w przypadku katastrofy.

Aluminium, lekki powszechnie występujący na Ziemi metal, ma olbrzymią wadę, jest mało wytrzymałe. Pęka pod obciążeniami, którym nie poddają się inne metale. Lekkim i wytrzymały metalem jest za to tytan. Jest on jednak drogi. Dlatego też naukowcy od dawna szukali sposobu na zwiększenie wytrzymałości aluminium. Udało się to osiągną międzynarodowemu zespołowi pracującemu pod kierunkiem uczonych z University of Sydney. Okazało się, że ściskając aluminium pomiędzy dwoma kowadłami, można uzyskać lekki materiał wytrzymały jak stal. Podczas prac wykorzystano skręcanie wysokociśnieniowe (HPT - high-pressure torsion). Metoda ta polega na umieszczeniu cienkiego dysku metalu na cylindrycznym kowadle i przyciśnięcie go do drugiego kowadła. W czasie tego procesu jedno z kowadeł powoli się obraca. Nacisk wywierany na metal wynosi około 60 000 kilogramów na centymetr kwadratowy. Po zakończeniu skręcania wysokociśnieniowego aluminium 7075 (to aluminium z niewielką domieszką cynku i magnezu) było przez ponad miesiąc trzymane w temperaturze pokojowej, przeszło zatem proces zwany starzeniem. Zarówno HPT jak i starzenie zmieniły nanostrukturę metalu. Przeprowadzone później badania wykazały, że tak zmieniony materiał wytrzymuje nacisk 1 gigapaskala. Odpowiada to wytrzymałości najlepszych rodzajów stali i jest wynikiem trzykrotnie lepszym od osiąganego przez standardowe aluminium. Bliższe badania wykazały, że sieć krystaliczna atomów aluminium została silnie zdeformowana, tworząc hierarchiczną nanostrukturę - wielkość ziaren aluminium zmniejszyła się, a atomy cynku i magnezu połączyły się w grupy o różnej wielkości, która zależała od położenia wewnątrz lub na krawędziach ziaren aluminium. Nie wiadomo, jak to się dzieje, że takie ułożenie znacząco wzmacnia aluminium, przyznaje Simon Ringer z University of Sydney. Uczeni mają nadzieję, że uda się stworzyć proces produkcyjny, który umożliwi tworzenie "superaluminium" w skali przemysłowej. Taki materiał znajdzie zastosowanie w przemyśle samochodowym, lotniczym i posłuży do budowy kamizelek kuloodpornych.

Naukowcy z North Carolina State University opracowali niezwykły materiał, który już niedługo może znaleźć zastosowanie m.in. w ortopedii. Substancją tą jest spieniona forma metalu, która może posłużyć jako element spajający kości lub ułatwiający związanie się implantów z tkanką kostną. Jak twierdzą autorzy wynalazku, jego główną zaletą jest biokompatybilność (tzn. możliwość umieszczania go w obrębie żywej tkanki bez wywoływania nadmiernej reakcji immunologicznej) oraz niska gęstość, nieprzekraczająca tej charakterystycznej dla aluminium. Ważne są także korzystne właściwości mechaniczne, takie jak zdolność do absorpcji drgań oraz elastyczność porównywalna z naturalną tkanką kostną. Równie niezwykły, co porowata forma nowego materiału, jest jego skład chemiczny. Oprócz pianki złożonej w 100% ze stali badacze opracowali bowiem dość rzadko spotykaną w tradycyjnych konstrukcjach mieszankę stali i aluminium. Jednocześnie, jak zaznaczają autorzy, liczne przestrzenie obecne w implancie pozwalają na jego infiltrację przez elementy żywej tkanki, ułatwiając tym samym jego umocowanie w organizmie i wzmacniając jego integrację ze strukturami ożywionymi. Jak ocenia szef zespołu pracującego nad udoskonaleniem metalicznej pianki, dr Afsaneh Rabiei, ma ona sporą szansę wyprzeć tytan z pozycji najlepszego materiału do produkcji wielu rodzajów implantów. Zdaniem badacza kluczową cechą nowego wynalazku jest jego stosunkowo wysoka elastyczność, trzykrotnie większa niż w przypadku tytanu i jednocześnie zbliżona do wartości charakterystycznych dla tkanki kostnej. Jest to niezwykle ważne, gdyż ogromna sztywność implantów tytanowych sprzyja przyjmowaniu przez nie zbyt wielkich obciążeń, przez co na styku z metalowym ciałem obcym w wielu przypadkach dochodzi do obumierania komórek tkanki kostnej. Ostateczne zatwierdzenie metalicznej pianki do zastosowania klinicznego będzie jednak wymagało dalszych testów.

W amerykańskim Narodowym Instytucie Standardów i Technologii powstał najdokładniejszy zegar atomowy na świecie. Bazuje on na pojedynczym atomie glinu i jest dwukrotnie bardziej dokładny niż jego wcześniejsza wersja korzystająca z atomu rtęci. Dokładność nowego zegara wynosi jedną sekundę na około 3,7 miliarda lat. Urządzenie to druga wersja "zegara z kwantową logiką". Został on tak nazwany, gdyż korzysta technologii obliczeniowych powstających na potrzeby przyszłych komputerów kwantowych. Zegary atomowe powstające na potrzeby nauki są daleko bardziej dokładne niż standardy czasu wyznaczane dla zastosowań "cywilnych". W USA taki standard wyznacza cezowy zegar NIST-F1, którego dokładność wynosi "zaledwie" 1 sekundę na 100 milionów lat. Paradoksalnie jest on, oficjalnie, najdokładniejszym zegarem na świecie. Międzynarodowa definicja (SI) określająca czym jest sekunda, korzysta właśnie z jednostki opisanej za pomocą zachowania atomu cezu, a więc, formalnie, zegar atomowy oparty na cezie jest najdokładniejszym urządzeniem do odmierzania czasu. Jak już wspomniano, nowy zegar korzysta z pojedynczego jonu glinu, umieszczonego w pułapce z pola elektrycznego. Jon wibruje z częstotliwością równą częstotliwości fali światła ultrafioletowego, a ta jest 100 000 razy wyższa, niż częstotliwość wykorzystana w NIST-F1 i innych podobnych zegarach na świecie. Niewykluczone, że w przyszłości cez straci swoją pozycję na rzecz glinu i to właśnie ten pierwiastek posłuży do opracowania nowego międzynarodowego standardu czasu. Tymczasem badacze z NIST pracują nad pięcioma różnymi zegarami atomowymi, korzystającymi z różnych pierwiastków i charakteryzującymi się różnymi właściwościami.

Naukowcy pracujący w należącym do NASA Langley Research Center, rozwijają technologię, która wygląda jak z powieści science-fiction. W komorze próżniowej dzięki strumieniowi elektronów na podstawie szczegółowego rysunku powstają trójwymiarowe przedmioty. Technika Electron Beam Freeform Fabrication (EBF3) tworzy je warstwa po warstwie, a wszystko, czego potrzebuje to rysunek oraz źródło surowca kompatybilnego ze strumieniem elektronów. Karen Taminger, która szefuje projektowi EBF3 mówi, że chociaż obecnie tworzone są stosunkowo proste przedmioty, możliwości technologii na nich się nie kończą. W przyszłości dzięki niej będzie można tworzyć części potrzebne w przemyśle lotniczym, kosmicznym czy medycynie. Praca nad przedmiotem rozpoczyna się od stworzenia szczegółowego trójwymiarowego rysunku tego, co chcemy uzyskać. Komputer dzieli go na poszczególne warstwy i przekazuje dane do EBF3. Tam strumień elektronów, padający na wirującą podstawę tworzy warstwa po warstwie, dzięki dostarczaniu odpowiedniego materiału, potrzebny przedmiot. Materiał, z którego tworzony jest przedmiot, musi być kompatybilny z urządzeniem, a więc musi łatwo się rozgrzewać i przechodzić do formy płynnej pod wpływem elektronów. Do tego celu idealnie nadaje się aluminium. Co więcej, może być ono używane w połączeniu z jeszcze innym metalem. EBF3 potrafi korzystać z dwóch źródeł materiału, tworząc na poczekaniu odpowiedni stop. Jedną z olbrzymich zalet nowej technologii jest możliwość umieszczenia w aluminiowym przedmiocie światłowodu, czego nie udało się osiągnąć innymi metodami. Dzięki temu podczas produkcji np. części do samolotu będzie można od razu umieścić w nich czujniki na bieżąco monitorujące pracę danego elementu. Na razie EBF3 pracuje na Ziemi, jednak NASA już wyprodukowała mniejszą i lżejszą wersję urządzenia, które pomyślnie przeszło testy nieważkości. EBF3 trafi na Międzynarodową Stację Kosmiczną. W przyszłości załogi stałych księżycowych baz zostaną wyposażone w tego typu urządzenia, dzięki czemu będą mogły produkować części zamienne na miejscu, z materiałów pozyskanych z księżycowego gruntu i nie będą musiały czekać na dostawy z Ziemi.

NASA i Biuro Badań Naukowych Sił Powietrznych (AFOSR) przeprowadziły udany test niewielkiej rakiety napędzanej bezpiecznym, przyjaznym dla środowiska paliwem. Składało się ono ze sproszkowanego aluminium (AL) i lodu (ICE), stąd jego nazwa - ALICE. Z farmy doświadczalnej Purdue University wystrzelono 2,5 metrową rakietę, która wzbiła się na wysokość 400 metrów. Udany eksperyment bardzo ucieszył naukowców, gdyż paliwo ALICE może w przyszłości zastąpić niektóre rodzaje ciekłego i stałego paliwa do silników rakietowych. Ponadto po odpowiednim zoptymalizowaniu może ono mieć większą wydajność niż obecnie stosowane paliwa. Paliwo po połączeniu obu składników ma konsystencję pasty do zębów. Na 24 godziny przed użyciem musi być schłodzone do temperatury -30 stopni Celsjusza.

Z osadów pobranych z dna Oceanu Spokojnego wyizolowano bakterię, która może przydać się do oczyszczania wody z metali ciężkich. Profesor Geijao Wang i jego zespół z Uniwersytetu Rolniczego Huazhong w Wuhan opisali w czasopiśmie Microbiology wyniki swoich prac nad odmianą Mn32 Brachybacterium. Organizm bardzo efektywnie oczyszcza wodę z manganu, zamieniając go w nierozpuszczalne tlenki manganu. Co więcej, tlenki te absorbują dodatkowy mangan z roztworu. Brachybacterium absorbuje też znaczące ilości cynku i aluminium, którymi często zanieczyszczone są wody w pobliżu miejsc występowania przemysłu ciężkiego. Co prawda tlenki manganu mogą być wytwarzane przemysłowo i używane do absorbowania cynku i aluminium, jednak chińscy naukowcy zauważyli, że tlenki wytwarzane przez bakterię są dwu- i trzykrotnie bardziej skuteczne niż te, wytwarzane rzez człowieka. Dzieje się tak dlatego, że mają inną strukturę krystaliczną i większą powierzchnię, dzięki czemu mogą zaabsorbować więcej jonów metali. Profesor Wang rozpoczyna teraz badania nad Brachybacterium Mn32 w bioreaktorze. Ma nadzieję, że organizm będzie w stanie absorbować też inne metale i przyda się w walce z zanieczyszczeniami.

Profesor Jerry Woodall z Purdue University opracował sposób na produkcję wodoru z wody i stopu aluminium z galem. Wynalazek może doprowadzić do stworzenia silników, które zamiast benzyny będą zużywały... wodę. Technika jest na tyle obiecująca, że Purdue University opatentował wynalazek i założył firmę AlGalCo LLC. Profesor Woodall powyższą technikę odkrył przypadkiem. W laboratorium czyścił tygiel, w którym znajdował się stop galu i aluminium. Gdy dodałem wody, nastąpiła silna reakcja. Atomy aluminium ze stopu weszły w kontakt z wodą, doszło do reakcji, w wyniku której powstał wodór i tlenek glinu – mówi Woodall. Najważniejszym składnikiem dla zajścia reakcji jest gal. Zapobiega on utworzeniu się na powierzchni aluminium warstwy, która powstaje na początku utleniania się tego metalu i zatrzymuje cały proces. Dzięki galowi aluminium utlenia się do końca. Oczywiście zostaje jeszcze cały szereg problemów, które należy rozwiązać, zanim na skalę przemysłową będzie można budować silniki zasilane wodą. Technologia jest jednak bardzo obiecująca. Przede wszystkim eliminuje ona konieczność składowania i przewożenia wodoru, potrzebnego do ogniw paliwowych. Każdy samochód sam produkowałoby na swoje potrzeby wodór dla napędzającego go ogniwa. Podczas reakcji nie tworzą się żadne toksyczne produkty. Woodall twierdzi, że używając 260 funtów aluminium można przejechać 350 mil (563 km). Koszt aluminium wyniósłby przy obecnych cenach około 180 dolarów, podczas gdy tą samą trasę na benzynie można przejechać kosztem (wg amerykańskich cen) około 50 dolarów. Jednak powstający tlenek aluminium może być ponownie użyty do stworzenia paliwowych pastylek z aluminium. Koszt takiego paliwa wyniósłby, przy założeniu, że zakład recyklingu aluminium korzystałby z energii dostarczonej przez elektrownię atomową, około 62 dolarów. Byłby więc porównywalny z ceną benzyny. W przyszłości ten stosunek będzie jeszcze bardziej korzystny, gdyż ropy naftowej ubywa, a tlenek glinu możnaby poddawać recyklingowi dzięki energii słonecznej. Gal nie jest w ogóle podczas reakcji tracony, więc koszt jego zakupu jest jednorazowy.

Naukowcy z całego świata nie ustają w poszukiwaniu lekkich, tanich w produkcji, a jednocześnie bardzo wytrzymałych materiałów. W ubiegłym roku akademicy z University of Michigan stworzyli wyjątkowo odporny materiał, jednak był on bardzo kruchy. Bardzo trudno jest go zdeformować, ale gdy już dojdzie do deformacji, materiał zaczyna pękać. Nieco później pracownicy MIT wyprodukowali z gliny i polimeru materiał, który był równie wytrzymały i nie pękał tak szybko. Teraz Szwajcarzy pokazali, co potrafią. Profesor Ludwig Gauckler ze Szwajcarskiego Federalnego Instytutu Technologicznego w Zurichu wyprodukował materiał pięciokrotnie bardziej wytrzymały od tego, co osiągnięto w MIT, który jest przy tym elastyczny. Cienka warstwa materiału jest równie wytrzymała jak folia aluminiowa, jednak można rozciągnąć ją o 25%. Tymczasem folia pęka już po 2-procentowym rozciągnięciu. Nowy materiał może posłużyć do produkcji protez kości, implantów dentystycznych, lekkich i wytrzymałych samochodów czy samolotów. Może też zostać użyty do produkcji elastycznych urządzeń elektronicznych. Profesor Gauckler mówi, że świetnie zastąpi on szeroko wykorzystywane włókno szklane. W przemyśle przyda się jeszcze jedna jego właściwość – materiał może być przezroczysty. Materiał uzyskano rozpuszczając płytki z tlenku aluminium w etanolu, a następnie napylając całość na powierzchnię wody. Płytki połączyły się tworząc jednolitą powierzchnię. Naukowcy zanurzyli w roztworze taflę szkła, przenosząc na nią aluminium. Później na wierzchu napylili chitosan – polimer otrzymywany z chityny. Proces ten powtarzano tak długo, aż na tafli nie powstałą polimerowo-aluminiowa warstwa grubości kilkudziesięciu mikrometrów. Następnie zdjęto ją ze szkła za pomocą ostrza. Proces wytwarzania na pierwszy rzut oka wygląda na bardzo skomplikowany, jednak profesor Ilhan Aksay z Princeton University uważa, że łatwo będzie go zmodyfikować na potrzeby masowej produkcji. Podobnie jak w innych badaniach nad materiałami, tak i tym razem za wzór posłużyła natura. Tym razem była to macica perłowa. Naukowców zainteresowały znajdujące się w niej płytki węglanu wapnia. Okazało się, że stosunek ich wielkości do grubości nie jest przypadkowa i ma ogromne znacznie przy zapewnieniu macicy odporności. Profesor Gauckler informuje, że jego materiał wymaga jeszcze szeregu ulepszeń. Chciałby zwiększyć siłę wiązań pomiędzy aluminiowymi płytkami a polimerem oraz zastosować lepszy, bardziej wytrzymały polimer. Na razie jednak, jak twierdzi, „pokazaliśmy, że potrafimy wykonać niemal tak dobrą robotę, jak sama natura”.

Najlepszym kształtem pojazdu kosmicznego, który zagwarantuje bezpieczeństwo załodze długodystansowych lotów, wcale nie jest rakieta, ale coś przypominającego jeżyka z grejpfruta z powbijanymi na wykałaczkach w skórkę wiśniami – twierdzi Ram Tripathi, inżynier z laboratorium badawczego NASA w Hampton. Ta futurystyczna forma ma uchronić astronautów przed nowotworami wywoływanymi promieniowaniem. Najważniejszym jego rodzajem jest galaktyczne promieniowanie kosmiczne (ang. galactic cosmic rays, GCR). Opisuje się je jako strumień naładowanych elektrycznie cząsteczek, m.in. elektronów, jonów metali ciężkich (choćby żelaza i uranu) oraz powstających wskutek aktywności Słońca protonów i jąder helu. Pokrywająca pojazd dodatkowa kapsuła z aluminium nie jest dobrym rozwiązaniem, ponieważ stanowiłaby nadmierne obciążenie, przyczyniające się do spalania dużych ilości paliwa. W artykule opublikowanym w czasopiśmie fachowym Advances in Space Reasearch Tripathi, John Wilson i Robert Youngquist stwierdzają, że prace nad ochroną przed szkodliwym promieniowaniem stanowią obecnie jeden z priorytetów NASA. Tylko po rozwiązaniu tego problemu można myśleć o podróżach na Marsa i dalej. Tripathi obmyślił następującą konstrukcję. Z głównej kapsuły wystawałyby podpory. Miałyby one ok. 50 m długości. Na nich umieszczono by naładowane dodatnio i ujemnie sfery, które odbijałyby naładowane cząsteczki GCR. Inżynier wyliczył, że ich średnica powinna wynosić 10-20 metrów. Ruch takich "wisienek" byłby dokładnie kontrolowany, aby jak najskuteczniej chronić załogę przed promieniowaniem. Sfery dają większą objętość przy jednocześnie mniejszej masie, a co najważniejsze, równomiernie rozmieszczają odbijane ładunki na swojej powierzchni. Tylko sfery byłyby wyprodukowane z glinu, podczas gdy główna część statku z najnowocześniejszego materiału kompozytowego: połączenia węglowych nanorurek z glinem. Jest on niezwykle lekki, ale zarazem wytrzymały, dlatego skutecznie odpierałby ataki jonów metali ciężkich. Naukowiec przekonuje, że idealne zabezpieczenie uwzględnia zarówno inteligentne materiały, jak i ekranowanie elektrostatyczne.

Specjaliści oceniają, że w każdej tonie wyrzuconego na śmieci sprzętu elektronicznego znajduje się 17-krotnie więcej złota niż w tonie warstw złotonośnych i 40-krotnie więcej miedzi niż w rudzie miedzi. Tymczasem na całym świecie każdego roku wyrzucanych jest od 20 do 50 milionów ton urządzeń elektronicznych. Koszty składowania tych odpadów mają osiągnąć w 2009 roku 11 miliardów dolarów. Najczęściej trafiają one do krajów rozwijających się, gdyż ze względu na brak norm ochrony środowiska, ich składowanie w Nigerii czy Chinach może być 10-krotnie tańsze niż przechowywanie na specjalnych wysypiskach w krajach rozwiniętych. Kraje rozwinięte czasami próbują walczyć z zalewającymi ich śmieciami, ale z drugiej strony takie składowiska mogą rozwijać miejscową gospodarkę. W Chinach istnieją wysypiska, które dają pracę ponad 100 000 osób. Największe na świecie składowisko odpadów elektronicznych znajduje się w chińskim Guiyu. Zatrudnieni tam robotnicy zarabiają od 2 do 4 dolarów dziennie za sortowanie odpadów. Po sortowaniu ze śmieci odzyskuje się cenne metale, takie jak złoto, miedź i aluminum. Niestety jest to proces szkodliwy dla środowiska, gdyż w sprzęcie elektronicznym znajdują się też ołów, kadm czy rtęć. Niektóre kraje wysoko rozwinięte próbują walczyć z tym problemem zabraniając stosowania części substancji do produkcji sprzętu elektronicznego.