Τι σχέση έχει το Πανεπιστήμιο Πατρών με την Ferrari και τα υλικά που θα επαναφέρονται στην αρχική τους κατάσταση ακόμη και μετά από σύγκρουση;
Οδηγείς σε έναν ορεινό χωματόδρομο, μια μεγάλη πέτρα χτυπάει το κάτω μέρος του αυτοκινήτου και παραμορφώνει τον άξονα. Σταματάς, περιμένεις μισή ώρα και συνεχίζεις την ορεινή σου περιπλάνηση.
Ενα τέτοιο σενάριο, στο οποίο ο άξονας του αυτοκινήτου χρειάζεται λίγα λεπτά για να... επιστρέψει μόνος του στο αρχικό του σχήμα και να επιδιορθώσει τυχόν ρωγμές, δεν είναι μέρος ταινίας επιστημονικής φαντασίας, αλλά εικόνα από το κοντινό μας μέλλον. Οπως επιβεβαιώνουν πολλοί επιστήμονες, που μίλησαν στην "Καθημερινή", υλικά με «μνήμη» σχήματος και αυτοϊάσιμα υλικά δοκιμάζονται ήδη σε ερευνητικά εργαστήρια πανεπιστημίων αλλά και βιομηχανιών και σε λίγα χρόνια θα είναι «εδώ» για να μας αλλάξουν τη ζωή.
«Τη στιγμή που συμβαίνει μια ζημιά στον άξονα του αυτοκινήτου για παράδειγμα, ένας σένσορας ανιχνεύει ποιο σημείο έχει υποστεί βλάβη, δίνει αυτόματα εντολή στον εγκέφαλο του αυτοκινήτου να περάσει ρεύμα από το συγκεκριμένο σημείο και μέσα σε λίγα λεπτά τόσο η παραμόρφωση όσο και οι ρωγμές είναι παρελθόν» λέει η Κάθριν Μπρίνσον, καθηγήτρια και επικεφαλής του εργαστηρίου προηγμένων υλικών του Πανεπιστημίου Northwestern των ΗΠΑ.
Η ερευνητική ομάδα της δρος Μπρίνσον, καθώς και άλλες ανά τον κόσμο, έχουν σχεδιάσει τέτοια υλικά που εμπεριέχουν σύρματα με μνήμη σχήματος. Αυτά τα σύρματα δημιουργούν ένα πλέγμα με συγκεκριμένη διάταξη μέσα στα υλικά που συνδέονται με μια πηγή ηλεκτρισμού. «Περνώντας» λοιπόν μικρές ποσότητες ηλεκτρικού ρεύματος εξατομικευμένα από ένα σύρμα ή μια ομάδα μεταλλικών ινών, αυτά θερμαίνονται, «θυμούνται» το αρχικό τους σχήμα και επανέρχονται σε αυτό μέσα σε σύντομο χρονικό διάστημα, συμπαρασύροντας σε αυτή τους την κίνηση το υλικό που τα εμπεριέχει. Στην περίπτωση όμως του υλικού που ανέπτυξε η ομάδα της δρος Μπρίνσον, αυτό έχει την επιπρόσθετη ιδιότητα όταν ζεσταίνεται να λιώνει σε συγκεκριμένα σημεία, με αποτέλεσμα όχι μόνο να «ισιώνει» ο άξονας του αυτοκινήτου, αλλά ταυτόχρονα να συγκολλούνται οι ρωγμές. Μοιάζει με θαύμα.
Υλικά που «θυμούνται» το αρχικό τους σχήμα, έχουν κεντρίσει ήδη την προσοχή αυτοκινητοβιομηχανιών και κατασκευαστών αεροσκαφών, λέει ο κ. Kωνσταντίνος Γαλιώτης, καθηγητής στο Τμήμα Επιστήμης Υλικών του Πανεπιστημίου Πατρών και διευθυντής του Ινστιτούτου Επιστημών Χημικής Μηχανικής του Ιδρύματος Τεχνολογίας και Ερευνας (ΙΤΕ).
Η Ferrari, για παράδειγμα, «τρέχει» ένα ερευνητικό πρόγραμμα με σκοπό τη χρήση τέτοιων υλικών σε τμήματα του αυτοκινήτου, όπως στις αεροτομές. «Οσο αυξάνεται η ταχύτητα αλλάζει η ροή αέρα στο πίσω μέρος του αυτοκινήτου» λέει ο κ. Γαλιώτης. Ειδικοί αισθητήρες αντιλαμβάνονται τη διαφορετική ροή αέρα και δίνουν εντολή στα σύρματα να αλλάξουν το σχήμα της αεροτομής, με αποτέλεσμα να αυξάνεται η αεροδυναμική απόδοση του αυτοκινήτου στις μεγάλες ταχύτητες, προσθέτει ο ίδιος, που συνέβαλε με την ερευνητική του ομάδα στα αρχικά στάδια της συγκεκριμένης μελέτης. Οι αεροτομές όμως αυτές, εξηγεί, δεν ρυθμίζονται με το πάτημα ενός κουμπιού, αλλά το υλικό από το οποίο είναι κατασκευασμένες έχει την ιδιότητα να αλλάζει μόνο του σχήμα.
«Τα υλικά του μέλλοντος θα είναι πολυλειτουργικά» τονίζει ο κ. Γαλιώτης, που είναι εκπρόσωπος της Ελλάδας στο μεγάλο ευρωπαϊκό πρόγραμμα «Γραφένιο», χρηματοδότησης ύψους ενός δισ. ευρώ, που στόχο έχει να διερευνήσει και να εκμεταλλευθεί τις μοναδικές ιδιότητες του επαναστατικού αυτού υλικού που βασίζεται στον άνθρακα.
Η ελληνική ερευνητική ομάδα έχει συνεργαστεί επίσης με τη Fiat, με σκοπό την κατασκευή ενός «φουτουριστικού αυτοκινήτου που διαισθάνεται τις ανάγκες του οδηγού και αλλάζει μόνο του σχήμα για να τον εξυπηρετεί καλύτερα» λέει ο ίδιος. Αυτή τη στιγμή όλα τα μηχανικά μέρη του αυτοκινήτου, όπως για παράδειγμα η κίνηση των καθρεφτών ή των θέσεων οδηγού και συνοδηγού, κινούνται με έμβολα, εξηγεί. Από τους Ελληνες ερευνητές ζητήθηκε να συμμετάσχουν στην κατασκευή καθρεφτών που αλλάζουν σχήμα, καμπυλώνοντας για παράδειγμα, ώστε να «πιάνουν» ακόμα και τις νεκρές γωνίες του αυτοκινήτου, ή κελυφών φαναριών που αλλάζουν σχήμα μεταβάλλοντας την εστίασή τους ανάλογα με τις συνθήκες οδήγησης.
Τα κεραμικά
Πώς μπορούν όμως να χρησιμοποιηθούν τέτοια υλικά μέσα σε μια μηχανή; «Αν θέλεις την ιδιότητα της μνήμης-σχήματος και επιθυμείς να χρησιμοποιήσεις το υλικό σε περιβάλλον με υψηλή θερμοκρασία, τα κεραμικά υλικά ανοίγουν νέα παράθυρα ευκαιριών» τονίζει ο Κρίστοφερ Σου, επικεφαλής του τμήματος Επιστήμης Υλικών και Μηχανικής του Τεχνολογικού Ινστιτούτου της Μασαχουσέτης (ΜΙΤ).
«Τα κεραμικά είναι τουλάχιστον τρεις με τέσσερις φορές πιο σκληρά από τα μέταλλα, μπορούν να αντέξουν πολύ μεγαλύτερες δυνάμεις, φθείρονται πιο δύσκολα και είναι σχετικά ελαφρά» λέει ο δρ Σου. Παρόλο που η χρήση κεραμικών σε μηχανές έχει πολλά πλεονεκτήματα σε σχέση με τα μέταλλα ή τα πλαστικά, ένα μειονέκτημά τους είναι η ανελαστικότητά τους. «Συνήθως όταν λυγίζεις ένα κεραμικό υλικό, ακόμα και κατά 1%, αυτό θα σπάσει» λέει ο δρ Σου.
Αυτή την ιδιότητα «νίκησαν» οι Αμερικανοί ερευνητές με τους συνεργάτες τους από τη Σιγκαπούρη. Οπως αναφέρουν σε δημοσίευσή τους στο επιστημονικό περιοδικό Science, κατάφεραν να κατασκευάσουν μικροσκοπικά κεραμικά, αόρατα με γυμνό μάτι, που όμως μπορούν να καμφθούν 7% - 8% χωρίς να ραγίζουν, καταλήγει ο δρ Σου.
Θα μπορούν να δίνουν μόνα τους κίνηση, χωρίς καύσιμη ύλη
«Η ιδέα να χρησιμοποιήσεις τέτοια υλικά για να κινείς πράγματα είναι πολύ δελεαστική» επισημαίνει ο δρ Σου. Η πιο σημαντική ίσως εφαρμογή αυτών των υλικών, και ιδιαίτερα των κεραμικών, είναι να αντικαταστήσουν τους σημερινούς κινητήρες.
«Αντί να έχεις μια μηχανή, μπορείς να έχεις ένα συμπαγές κομμάτι υλικού που δημιουργεί κίνηση» λέει ο δρ Κρίστοφερ Σου, προσθέτοντας ότι τέτοια υλικά μπορεί να έχουν εφαρμογές σε αντλίες υγρών, στη μετακίνηση αντικειμένων, ακόμα και στη συλλογή ενέργειας από το περιβάλλον. Ενα πιστόνι, για παράδειγμα, κινείται μπρος-πίσω με μηχανική κίνηση που προκαλείται από μια χημική αντίδραση, όπως η καύση της βενζίνης. Αντί λοιπόν για τη χρήση ενός περίπλοκου συστήματος - κατανάλωσης ορυκτών καυσίμων για να κινηθούν τα πιστόνια και να λειτουργήσει ο κινητήρας, μπορούν να χρησιμοποιηθούν υλικά που με μια μικρή μεταβολή της θερμοκρασίας αλλάζουν σχήμα και κινούνται.
«Υπάρχουν βέβαια και περιπτώσεις που τα σύρματα αυτά δρουν μόνα τους, για παράδειγμα, ως διακόπτες κυκλωμάτων ή ως αρτηριακά πλέγματα (stents), χωρίς να υπάρχει η αναγκαιότητα του εγκιβωτισμού τους σε άλλα υλικά ή και ακόμη ενεργοποίησής τους με ηλεκτρικό ρεύμα» συμπληρώνει ο δρ Γαλιώτης. Σε αυτές τις περιπτώσεις τα σύρματα αλλάζουν σχήμα λόγω διαφορετικής θερμοκρασίας στο νέο περιβάλλον που χρησιμοποιούνται, όπως για παράδειγμα στο ανθρώπινο σώμα...
«Τα υλικά του μέλλοντος δεν θα είναι παθητικά. Θα προσαρμόζονται στο περιβάλλον τους και θα είναι ενεργητικά» προναγγέλλει ο δρ Σου.
Ενα τέτοιο σενάριο, στο οποίο ο άξονας του αυτοκινήτου χρειάζεται λίγα λεπτά για να... επιστρέψει μόνος του στο αρχικό του σχήμα και να επιδιορθώσει τυχόν ρωγμές, δεν είναι μέρος ταινίας επιστημονικής φαντασίας, αλλά εικόνα από το κοντινό μας μέλλον. Οπως επιβεβαιώνουν πολλοί επιστήμονες, που μίλησαν στην "Καθημερινή", υλικά με «μνήμη» σχήματος και αυτοϊάσιμα υλικά δοκιμάζονται ήδη σε ερευνητικά εργαστήρια πανεπιστημίων αλλά και βιομηχανιών και σε λίγα χρόνια θα είναι «εδώ» για να μας αλλάξουν τη ζωή.
«Τη στιγμή που συμβαίνει μια ζημιά στον άξονα του αυτοκινήτου για παράδειγμα, ένας σένσορας ανιχνεύει ποιο σημείο έχει υποστεί βλάβη, δίνει αυτόματα εντολή στον εγκέφαλο του αυτοκινήτου να περάσει ρεύμα από το συγκεκριμένο σημείο και μέσα σε λίγα λεπτά τόσο η παραμόρφωση όσο και οι ρωγμές είναι παρελθόν» λέει η Κάθριν Μπρίνσον, καθηγήτρια και επικεφαλής του εργαστηρίου προηγμένων υλικών του Πανεπιστημίου Northwestern των ΗΠΑ.
Η ερευνητική ομάδα της δρος Μπρίνσον, καθώς και άλλες ανά τον κόσμο, έχουν σχεδιάσει τέτοια υλικά που εμπεριέχουν σύρματα με μνήμη σχήματος. Αυτά τα σύρματα δημιουργούν ένα πλέγμα με συγκεκριμένη διάταξη μέσα στα υλικά που συνδέονται με μια πηγή ηλεκτρισμού. «Περνώντας» λοιπόν μικρές ποσότητες ηλεκτρικού ρεύματος εξατομικευμένα από ένα σύρμα ή μια ομάδα μεταλλικών ινών, αυτά θερμαίνονται, «θυμούνται» το αρχικό τους σχήμα και επανέρχονται σε αυτό μέσα σε σύντομο χρονικό διάστημα, συμπαρασύροντας σε αυτή τους την κίνηση το υλικό που τα εμπεριέχει. Στην περίπτωση όμως του υλικού που ανέπτυξε η ομάδα της δρος Μπρίνσον, αυτό έχει την επιπρόσθετη ιδιότητα όταν ζεσταίνεται να λιώνει σε συγκεκριμένα σημεία, με αποτέλεσμα όχι μόνο να «ισιώνει» ο άξονας του αυτοκινήτου, αλλά ταυτόχρονα να συγκολλούνται οι ρωγμές. Μοιάζει με θαύμα.
Υλικά που «θυμούνται» το αρχικό τους σχήμα, έχουν κεντρίσει ήδη την προσοχή αυτοκινητοβιομηχανιών και κατασκευαστών αεροσκαφών, λέει ο κ. Kωνσταντίνος Γαλιώτης, καθηγητής στο Τμήμα Επιστήμης Υλικών του Πανεπιστημίου Πατρών και διευθυντής του Ινστιτούτου Επιστημών Χημικής Μηχανικής του Ιδρύματος Τεχνολογίας και Ερευνας (ΙΤΕ).
Η Ferrari, για παράδειγμα, «τρέχει» ένα ερευνητικό πρόγραμμα με σκοπό τη χρήση τέτοιων υλικών σε τμήματα του αυτοκινήτου, όπως στις αεροτομές. «Οσο αυξάνεται η ταχύτητα αλλάζει η ροή αέρα στο πίσω μέρος του αυτοκινήτου» λέει ο κ. Γαλιώτης. Ειδικοί αισθητήρες αντιλαμβάνονται τη διαφορετική ροή αέρα και δίνουν εντολή στα σύρματα να αλλάξουν το σχήμα της αεροτομής, με αποτέλεσμα να αυξάνεται η αεροδυναμική απόδοση του αυτοκινήτου στις μεγάλες ταχύτητες, προσθέτει ο ίδιος, που συνέβαλε με την ερευνητική του ομάδα στα αρχικά στάδια της συγκεκριμένης μελέτης. Οι αεροτομές όμως αυτές, εξηγεί, δεν ρυθμίζονται με το πάτημα ενός κουμπιού, αλλά το υλικό από το οποίο είναι κατασκευασμένες έχει την ιδιότητα να αλλάζει μόνο του σχήμα.
«Τα υλικά του μέλλοντος θα είναι πολυλειτουργικά» τονίζει ο κ. Γαλιώτης, που είναι εκπρόσωπος της Ελλάδας στο μεγάλο ευρωπαϊκό πρόγραμμα «Γραφένιο», χρηματοδότησης ύψους ενός δισ. ευρώ, που στόχο έχει να διερευνήσει και να εκμεταλλευθεί τις μοναδικές ιδιότητες του επαναστατικού αυτού υλικού που βασίζεται στον άνθρακα.
Η ελληνική ερευνητική ομάδα έχει συνεργαστεί επίσης με τη Fiat, με σκοπό την κατασκευή ενός «φουτουριστικού αυτοκινήτου που διαισθάνεται τις ανάγκες του οδηγού και αλλάζει μόνο του σχήμα για να τον εξυπηρετεί καλύτερα» λέει ο ίδιος. Αυτή τη στιγμή όλα τα μηχανικά μέρη του αυτοκινήτου, όπως για παράδειγμα η κίνηση των καθρεφτών ή των θέσεων οδηγού και συνοδηγού, κινούνται με έμβολα, εξηγεί. Από τους Ελληνες ερευνητές ζητήθηκε να συμμετάσχουν στην κατασκευή καθρεφτών που αλλάζουν σχήμα, καμπυλώνοντας για παράδειγμα, ώστε να «πιάνουν» ακόμα και τις νεκρές γωνίες του αυτοκινήτου, ή κελυφών φαναριών που αλλάζουν σχήμα μεταβάλλοντας την εστίασή τους ανάλογα με τις συνθήκες οδήγησης.
Τα κεραμικά
Πώς μπορούν όμως να χρησιμοποιηθούν τέτοια υλικά μέσα σε μια μηχανή; «Αν θέλεις την ιδιότητα της μνήμης-σχήματος και επιθυμείς να χρησιμοποιήσεις το υλικό σε περιβάλλον με υψηλή θερμοκρασία, τα κεραμικά υλικά ανοίγουν νέα παράθυρα ευκαιριών» τονίζει ο Κρίστοφερ Σου, επικεφαλής του τμήματος Επιστήμης Υλικών και Μηχανικής του Τεχνολογικού Ινστιτούτου της Μασαχουσέτης (ΜΙΤ).
«Τα κεραμικά είναι τουλάχιστον τρεις με τέσσερις φορές πιο σκληρά από τα μέταλλα, μπορούν να αντέξουν πολύ μεγαλύτερες δυνάμεις, φθείρονται πιο δύσκολα και είναι σχετικά ελαφρά» λέει ο δρ Σου. Παρόλο που η χρήση κεραμικών σε μηχανές έχει πολλά πλεονεκτήματα σε σχέση με τα μέταλλα ή τα πλαστικά, ένα μειονέκτημά τους είναι η ανελαστικότητά τους. «Συνήθως όταν λυγίζεις ένα κεραμικό υλικό, ακόμα και κατά 1%, αυτό θα σπάσει» λέει ο δρ Σου.
Αυτή την ιδιότητα «νίκησαν» οι Αμερικανοί ερευνητές με τους συνεργάτες τους από τη Σιγκαπούρη. Οπως αναφέρουν σε δημοσίευσή τους στο επιστημονικό περιοδικό Science, κατάφεραν να κατασκευάσουν μικροσκοπικά κεραμικά, αόρατα με γυμνό μάτι, που όμως μπορούν να καμφθούν 7% - 8% χωρίς να ραγίζουν, καταλήγει ο δρ Σου.
Θα μπορούν να δίνουν μόνα τους κίνηση, χωρίς καύσιμη ύλη
«Η ιδέα να χρησιμοποιήσεις τέτοια υλικά για να κινείς πράγματα είναι πολύ δελεαστική» επισημαίνει ο δρ Σου. Η πιο σημαντική ίσως εφαρμογή αυτών των υλικών, και ιδιαίτερα των κεραμικών, είναι να αντικαταστήσουν τους σημερινούς κινητήρες.
«Αντί να έχεις μια μηχανή, μπορείς να έχεις ένα συμπαγές κομμάτι υλικού που δημιουργεί κίνηση» λέει ο δρ Κρίστοφερ Σου, προσθέτοντας ότι τέτοια υλικά μπορεί να έχουν εφαρμογές σε αντλίες υγρών, στη μετακίνηση αντικειμένων, ακόμα και στη συλλογή ενέργειας από το περιβάλλον. Ενα πιστόνι, για παράδειγμα, κινείται μπρος-πίσω με μηχανική κίνηση που προκαλείται από μια χημική αντίδραση, όπως η καύση της βενζίνης. Αντί λοιπόν για τη χρήση ενός περίπλοκου συστήματος - κατανάλωσης ορυκτών καυσίμων για να κινηθούν τα πιστόνια και να λειτουργήσει ο κινητήρας, μπορούν να χρησιμοποιηθούν υλικά που με μια μικρή μεταβολή της θερμοκρασίας αλλάζουν σχήμα και κινούνται.
«Υπάρχουν βέβαια και περιπτώσεις που τα σύρματα αυτά δρουν μόνα τους, για παράδειγμα, ως διακόπτες κυκλωμάτων ή ως αρτηριακά πλέγματα (stents), χωρίς να υπάρχει η αναγκαιότητα του εγκιβωτισμού τους σε άλλα υλικά ή και ακόμη ενεργοποίησής τους με ηλεκτρικό ρεύμα» συμπληρώνει ο δρ Γαλιώτης. Σε αυτές τις περιπτώσεις τα σύρματα αλλάζουν σχήμα λόγω διαφορετικής θερμοκρασίας στο νέο περιβάλλον που χρησιμοποιούνται, όπως για παράδειγμα στο ανθρώπινο σώμα...
«Τα υλικά του μέλλοντος δεν θα είναι παθητικά. Θα προσαρμόζονται στο περιβάλλον τους και θα είναι ενεργητικά» προναγγέλλει ο δρ Σου.
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου