800 km/val. greičiu skrendantys lėktuvai, kelių šimtų metrų aukštyje elektrą gaminančios vėjo turbinos ir šiuolaikiniai automobiliai, siekiantys vis aukštesnių energetinio efektyvumo standartų – visa tai vargu ar būtų įmanoma be lengvų, bet itin tvirtų plastiko kompozitų. 

Tokie kompozitai Lietuvos mokslininkų rankose šiandien virsta išmaniomis ir tvariomis medžiagomis, ne tik laikančiomis konstrukcijas, bet ir „galvojančiomis“ – reaguojančiomis į aplinką, fiksuojančiomis konstrukcijų defektus ir taip galinčiomis padėti išvengti avarijų.

Aviacija, automobilių pramonė ir vėjo energetika – tai sritys, kuriose konstrukciniai plastiko kompozitai jau dabar atlieka itin svarbų vaidmenį. Tačiau, anot Kauno technologijos universiteto Mechanikos inžinerijos ir dizaino fakulteto (KTU MGMF) profesorės dr. Daivos Zeleniakienės, šių medžiagų kelias į dar tvaresnę ateitį tik prasideda.

„Šiandien tokiose srityse kaip aviacija, vėjo jėgainės ar transportas plačiai naudojami anglies arba stiklo pluoštais sustiprinti plastiko kompozitai. Jie yra lengvi, labai tvirti ir puikiai tinka darbui ekstremaliomis sąlygomis. Tačiau jie turi ir trūkumų – nuo didelės CO₂ emisijos gamybos metu iki sudėtingo perdirbimo“, – pasakoja tyrėja.

Siekdami pažaboti šiuos iššūkius KTU mokslininkai, vadovaujami profesorės, vykdo du ambicingus nacionalinio ir tarptautinio lygmens projektus, kurių abiejų tikslas – sukurti saugesnes, ilgaamžiškesnes ir aplinkai draugiškesnes daugiafunkces medžiagas lėktuvų, naujos kartos automobilių ar vėjo jėgainių konstrukcijoms.

Leis pastebėti nematomus defektus

Tradicinius pluoštu sustiprintus kompozitus jau šiandien galime sutikti tokiuose orlaiviuose kaip Airbus A350, kuriuose jie gali sudaryti net apie pusę visos konstrukcijos masės, o taip pat ir sportinių ar elektrinių automobilių modeliuose, pavyzdžiui BMW i3, kuriuose kompozitai naudojami kėbulo dalių, sėdynių ar salono komponentams. Šios lengvos medžiagos leidžia sumažinti šių transporto priemonių svorį, o tai mažina ir kuro sąnaudas bei CO₂ emisijas. 

„Vėjo energetikoje skaičiai dar įspūdingesni – kai kuriais atvejais plastiko kompozitai sudaro net 90 proc. vėjo turbinų menčių masės. Pavyzdžiui, GE Haliade-X jėgainės vienos mentės ilgis siekia net 107 metrus – tai šiek tiek daugiau nei futbolo aikštės ilgis. Tokio dydžio konstrukcijos paprasčiausiai nebūtų įmanomos be lengvų ir tvirtų kompozitų“, – teigia KTU tyrėja. 

Mokslininkai, kurdami naujos kartos kompozitus, siekia dar labiau išplėsti jų funkcionalumą. Nacionalinio ir tarptautinio lygmens projektuose (Eco-Multi-Comp ir MIRACLES) kuriamos medžiagos – daugiafunkcės, tad jos, aiškina mokslininkė, gali tarnauti ir kaip konstrukcija, ir kaip sensorių sistema, ir kaip apsauga nuo ekstremalių oro sąlygų poveikio. 

„Tokios medžiagos atveria visiškai naujas galimybes. Tradicinės konstrukcinių kompozitų medžiagos dažniausiai atlieka tik pagrindinę funkciją – yra tvirtos ir lengvos. Tačiau mes siekiame, kad mūsų medžiagos ne tik laikytų konstrukciją, bet ir „mąstytų“ – reaguotų į aplinką, saugotų save ir net praneštų apie problemas“, – pasakoja prof. D. Zeleniakienė. 

Tokie kompozitai, pasitelkus modernios elektronikos technologijas, gali patys aptikti įtrūkimus ar kitus defektus dar prieš jiems sukeliant rimtus gedimus ar net avarijas. Taip pat į šiuos kompozitus galima integruoti ir apledėjimo šalinimo funkciją, kuri yra ypač svarbi vėjo jėgainių mentėms žiemą.

Kompozitams kurti – dvimatės ateities medžiagos

Viename iš KTU mokslininkų koordinuojamų projektų – Europos horizonto (angl. Horizon Europe) programos finansuojamame projekte MIRACLES – tokie daugiafunkciai kompozitai kuriami pasitelkiant ypatingas 2D medžiagas – maksenus – bei inovatyvias purškimo ir spausdinimo technologijas, leidžiančias formuoti itin plonus (nano metrų eilės) funkcinius kompozitų sluoksnius, kurie konstrukcijoms beveik neprideda jokio papildomo svorio.

„Maksenai – tai pakankamai neseniai JAV mokslininkų išrastos vos kelių atomų storio medžiagos, pasižyminčios aukštu elektriniu laidumu ir puikiomis mechaninėmis savybėmis. Svarbu ir tai, jog mūsų projekte naudojamo makseno poveikis aplinkai yra minimalus, nes veikiamas oro ar drėgmės jis natūraliai skyla į titano oksidą – gerai žinomą medžiagą, kuri jau šiandien yra plačiai naudojama statybose, kosmetikos ar dažų pramonėje“, – sako profesorė.

Pastaraisiais metais, pastebi tyrėja, pasaulio mokslininkų dėmesys šioms medžiagoms šoktelėjo į neregėtas aukštumas – per penkerius metus kasmet paskelbiamų mokslinių straipsnių apie maksenus skaičius išaugo penkiskart, o maksenų gamybos metodai – nuolat tobulinami. Tai, anot profesorės, reiškia ne tik mažėjančią šių medžiagų kainą, bet ir vis realesnes perspektyvas pramoniniam jų taikymui.

„Pavyzdžiui, mūsų Europos horizonto projekto konsorciume yra net keturi pramonės atstovai ir jie turi realias ambicijas po šio projekto turėti prototipus, kurie, tikimasi, bus ir komercializuoti. Tai rodo, kad makseno gamybos technologija jau dabar negąsdina savo kaina. Pradžioje visos medžiagos, kol gaminamos laboratorinėmis sąlygomis, būna brangios, tačiau vėliau stipriai atpinga. Kaip ir aliuminis, tik atradus jo gamybą, buvo brangesnis net už auksą, tačiau dabar, kai kurių šaltinių teigimu, jo kaina yra sumažėjusi daugiau nei 500 kartų“, – aiškina mokslininkė.

Tvarumas tampa prioritetu

Ieškodami tvaresnių žaliavų kompozitų gamybai KTU mokslininkai taip pat vykdo ir nacionalinio lygmens projektą Eco-Multi-Comp, finansuojamą Lietuvos mokslų tarybos. Šiuo projektu, aiškina prof. D. Zeleniakienė, siekiama vietoje stiklo pluošto naudoti tvaresnę alternatyvą – bazalto pluoštą – kartu pritaikant ir iš atsinaujinančių biologinių šaltinių gautus plastikus. 

Anot mokslininkės, čia svarbi užduotis tenka gerinant bazalto pluošto sukibimą su plastiku, mat prastas šių dviejų medžiagų sąryšis gali neigiamai veikti ir paties kompozito savybes.

„Bazalto pluošto trūkumas – jo silpnesnis sukibimas su plastiku, tačiau, pasitelkdami unikalų mūsų partnerių gaminamą žvaigždinį polimerą, galime to išvengti. Tyrimai parodė, kad vos 1 proc. šio polimero priedo gali ženkliai pagerinti mechanines viso kompozito savybes“, – aiškina mokslininkė.

Šis polimeras ne veltui pavadintas žvaigždiniu – jo formą sudarančios ilgos grandinės, išeinančios iš centro, iš tiesų primeną spinduliuojančią žvaigždę. Būtent šiomis grandinėmis, aiškina mokslininkė, tarsi rankomis, šie polimerai kabinasi prie plastiko molekulių, o kitomis – prie bazalto pluošto, taip užtikrindami patvaresnę sąveiką tarp medžiagų bei geresnes kompozito savybes.

„Taip siekiame gauti kompozitus, kurie išlaikytų ar net pranoktų stiklo pluošto kompozito stiprumą, bet, kartu, būtų ir draugiškesni aplinkai“, – teigia prof. D. Zeleniakienė.