Wiatr, lód i… niedźwiedzie. Dr inż. Jakub Smoleń testuje materiały kompozytowe na Spitsbergenie
Zobacz naukę, która zagląda w najzimniejsze zakamarki świata. Badania prowadzone na Spitsbergenie to jeden z etapów działań dr. inż. Jakuba Smolenia, który testuje materiały kompozytowe w różnych warunkach środowiskowych.
Kompozyty, czyli materiały złożone z dwóch lub więcej komponentów o różnych właściwościach, coraz częściej wypierają tradycyjne materiały (takie jak np. aluminium, stal, ceramikę) ze względu na połączenie lekkości z wytrzymałością. Z powodzeniem znajdują zastosowanie w branży motoryzacyjnej, lotniczej, kolejowej, przemyśle jachtowym. Są wykorzystywane w budownictwie, a także branży energetyki wiatrowej (na przykład w produkcji łopat turbin wiatrowych). Dużą popularnością cieszy się również sprzęt sportowy wykonany z włókna węglowego, taki jak ramy rowerów, rakiety tenisowe, narty, a nawet kije golfowe i kije trekkingowe.
Wydłużyć czas pracy kompozytów, czyli o wyzwaniu dla materiałoznawców
Wyzwaniem dla inżynierów zajmujących się kompozytami jest przedłużenie żywotności tych materiałów. Ma to znaczenie nie tylko z punktu widzenia trwałości samych materiałów, ale również dla całego przemysłu ich produkcji. Zwiększenie trwałości ograniczy częste wymiany elementów, zmniejszy zużycie surowców i energii potrzebnych do produkcji nowych komponentów, a w konsekwencji ograniczy ilość powstających odpadów. Średni czas użytkowania konstrukcji kompozytowych wynosi około 20-30 lat. Po takim czasie pojawiają się problemy z trwałością materiału wynikające z degradacji spowodowanej przez warunki środowiska, w jakich się znajdują.
Prace nad materiałami kompozytowymi prowadzi dr inż. Jakub Smoleń, naukowiec Wydziału Inżynierii Materiałowej Politechniki Śląskiej. Badania poświęca m.in. kompozytom polimerowo-włóknistym, które są zbudowane z żywicy polimerowej (głównie epoksydowej) oraz włókien wzmacniających – szklanych i węglowych. W analizie trwałości kompozytów uwzględnia efekty wynikające ze współwystępowania żywicy i włókien wzmacniających. Badacz mierzy się z wydłużeniem czasu użytkowania tych materiałów. I choć przewidywanie okresu użytkowania jest możliwe za pomocą metod przyspieszonych laboratoryjnych, to jednak obecnie nie zawsze są one w stanie oddać niezwykle zmienne czynniki środowiskowe, takie jak np. temperaturę, wilgotność powietrza, promieniowanie słoneczne. – Możemy mieć komorę UV, która będzie naśladowała promieniowanie ultrafioletowe, ale to nie będzie przekładało się na takie rzeczywiste promieniowanie słoneczne. Możemy mieć jakieś komory klimatyczne, w których mamy do czynienia z wilgotnością i temperaturą, ale znowu, to nie przekłada się tak bezpośrednio na środowisko, które są niezwykle zróżnicowane – wyjaśnia dr inż. Smoleń. – Dlatego też chcę prowadzić takie badania w różnych środowiskach, bo jeszcze nikt nie robił tego w ten sposób, że w różnych miejscach, w tym samym czasie sprawdzał ten sam materiał. Te działania mają z kolei umożliwić korelację metod laboratoryjnych z metodami naturalnymi, co w tej chwili jest bardzo trudnym zadaniem.
fot. arch. prywatne
Testowanie kompozytów na Spitsbergenie
Próbki kompozytów polimerowo-włóknistych już niedługą znajdą się… w Zatoce Białego Niedźwiedzia, czyli na Spistbergenie. To tam położona jest Polska Stacja Polarna Hornsund im. Stanisława Siedleckiego, której naukowcy prowadzą całoroczny monitoring środowiskowy oraz zbierają dane m.in. w zakresie meteorologii, magnetyzmy ziemskiego, glacjologii, fizyki. Stacja jest zarządzana przez Instytut Geofizyki PAN. Przez kilka dni we wrześniu stanie się domem dla dr. inż. Jakuba Smolenia, który będzie testował materiały w warunkach arktycznych.
Pierwszym wyzwaniem będzie wiatr. To czynnik, który z pewnością wpłynie na test próbek, a także wymusi ich odpowiednie rozmieszczenie w terenie. Będą one znajdowały się na specjalnych i dociążonych stojakach, które wytrzymają naprawdę silne podmuchy, przekraczające nawet 150 km/h. Drugą kwestią jest także sposób, w jaki wiatr wieje: – Wiatry wieją tam poziomo, przenoszą dużą ilość drobinek piasku i lodu, więc one będą „szlifowały” te stojaki oraz próbki – wyjaśnia dr inż. Jakub Smoleń. – Dodatkowo musiałem troszeczkę zmienić koncepcję demontażu tych próbek, bo naukowcy ze Stacji oczywiście w tym pomogą i je zdemontują, ale ze względu na niskie temperatury trzeba było to przeprojektować, żeby oni mogli zrobić to w łatwy sposób i kolekcjonować kolejne serie próbek.
Jak się okazuje dla stojaków zagrożeniem mogą być także… niedźwiedzie. – Jak tylko poczują zapach albo zobaczą coś nowego w otoczeniu, to przychodzą i ruszają wszystkim. Musiałem też uwzględnić, żeby było to odpowiednio sztywne i się nie połamało oraz żeby też nie wyrządziło krzywdy zwierzętom.
Kolejne czynniki, które będą "testowały" próbki, to opady oraz niska temperatura (w lato sięgająca zaledwie kilkunastu stopni na plusie, natomiast zimą spadająca do -30 stopni Celsjusza). Na Spitsbergenie panuje duża wilgotność, tak więc będzie można sprawdzić, w jaki sposób materiały poradzą sobie z tak dużą ilością wilgoci i czy woda przedostanie się na przykład do wnętrza ich struktury.
Ciekawą kwestią może okazać się także wpływ promieniowania słonecznego. Na Hornsundzie 31 października rozpocznie się noc polarna, która potrwa niemal do połowy lutego. Od kwietnia przez ponad trzy miesiące będzie trwał z kolei dzień polarny, a to sprawi, że próbki będą wystawione na działanie słońca 24 godziny na dobę. Ponadto dr Smoleń będzie także sprawdzał, czy materiałom grozi degradacja mechaniczna (w przypadku naporu silnego wiatru, który może powyginać próbki) oraz degradacja chemiczna (pod wpływem soli morskiej niesionej razem z wiatrem).
Badania nad próbkami potrwają łącznie 3 lata, a następnie zostaną poddane analizom. Dodatkowo wyniki będą skorelowane z danymi środowiskowymi, które na bieżąco są przygotowywane przez polarników przebywających na stacji polarnej.
fot. arch. prywatne
Przygotowania do spotkania z Arktyką
Spotkanie z arktycznym światem to duże wyzwanie, wiążące się między innymi ze swego rodzaju izolacją. Przez około trzy tygodnie badacz będzie miał ograniczony kontakt z bliskimi, współpracownikami czy też codziennymi obowiązkami pozostawionymi na Śląsku. W samej podróży drogą morską do południowej części wyspy Spitsbergen spędzi około 8 dni.
Taka wyprawa wymaga solidnego zabezpieczenia przed warunkami atmosferycznymi. Istotne było więc przygotowanie odzieży – szczególnie takiej, która jest odporna na wiatr i opady oraz zapewnia komfort w niskich temperaturach.
Badacze i pracownicy podróżujący do stacji polarnej w Hornsundzie stosują się do specjalnych zasad bezpieczeństwa związanych m.in. z poruszaniem się w terenie (w tym w terenie lodowcowym), pływaniem na pontonie, spotkaniem z niedźwiedziami polarnymi. Są to przepisy ustalone przez Polską Akademię Nauk, a przede wszystkim ścisłe procedury administracji norweskiej na archipelagu wysp Svalbard.
Co po zimnym Spitsbergenie?
Testowanie materiałów kompozytowych nie kończy się na Arktyce. Dr inż. Jakub Smoleń bada również próbki w zupełnie odmiennym klimacie, a jedną ze stacji pomiarowych umieścił na Krecie. – Są to zupełnie odmienne warunki, klimat śródziemnomorski, gdzie liczba dni słonecznych w ciągu roku wynosi 300 – wyjaśnia. Kompozyty będą sprawdzane także w Polsce – zarówno w środowisku wysoko zurbanizowanym, narażonym na zanieczyszczenie powietrza, jak i w środowisku niezurbanizowanym. Naukowiec planuje też umieścić stanowiska pomiarowe w miejscu, gdzie panują warunki klimatu równikowego.
Wyniki badań pozwolą wskazać, jak materiały kompozytowe zachowują się podczas działania różnych czynników środowiskowych oraz które z nich najlepiej sprawdzą się w określonych warunkach ich eksploatacji. Na tej podstawie będzie można również ustalić, jakie wykorzystać metody zabezpieczeń i – w razie potrzeby – regeneracji materiałów.
W dłuższej perspektywie celem pracy naukowej będzie także możliwość wskazania metody wiążącej efekty badań laboratoryjnych z rzeczywistym zachowaniem materiałów w określonych warunkach środowiskowych. To z kolei umożliwi szybsze działanie, niewykluczające określenia z dużą precyzją trwałości kompozytów i bezpieczeństwa w ich wykorzystaniu. Są to cenne dane między innymi dla przemysłu. – Przedstawicieli przemysłu ciekawi, jakie mechanizmy degradacji kompozytów polimerowo-włóknistych determinują sposób niszczenia kompozytów w zależności od klimatu, w zależności od tego, jakiego materiału użyjemy, czy to będzie włókno węglowe, czy włókno szklane, i w zależności od tego, jaką żywicę wykorzystamy: epoksydową czy poliestrową – podkreśla dr inż. Jakub Smoleń.
Polepszenie trwałości materiałów kompozytowych, wydłużenie żywotności produktów, a także opracowanie sposobów naprawy kompozytów uszkodzonych przez czynniki środowiskowe to działania, które z jednej strony przyczyniają się do rozwoju branż wykorzystujących materiały kompozytowe, a z drugiej – zwiększają bezpieczeństwo ich użytkowania.
