Что общего между ядерным реактором и экстремальными условиями, при которых плавятся даже самые прочные металлы? Ответ — в инновационных материалах, над которыми работают польские ученые. Я пригласила к беседе доктора технических наук, профессора Варшавской политехники Яна Врубеля. Он является руководителем группы при факультете инженерии металлов, моделирующей свойства многокомпонентных металлических сплавов, способных выдерживать невероятные нагрузки. О том, как создаются такие материалы и зачем они нужны — в нашем сегодняшнем выпуске.
Итак, в чем конкретно заключается ваша задача как ученого и инженера?
Ян Вубель: Я и мой коллектив ищем материалы, способные работать в экстремальных условиях, в первую очередь для термоядерных реакторов. Наверное, сначала стоит объяснить, о чем вообще идет речь.Термоядерный синтез — это попытка человечества вырабатывать энергию на Земле так же, как это происходит на Солнце. Там атомы водорода сливаются в атомы гелия, и в результате этого процесса выделяется огромное количество энергии. Именно эта энергия — источник практически всех процессов, происходящих на Земле, в том числе и энергоснабжения.Чтобы такие реакции могли происходить у нас, на Земле, нужны специальные установки — термоядерные реакторы. В них создается плазма, которая удерживается в вакууме с помощью электромагнитных полей. Однако, несмотря на то что плазма не соприкасается напрямую с конструкцией, материалы, находящиеся рядом с ней, должны выдерживать поистине экстремальные условия. И вот моя задача и моих сотрудников — находить такие материалы, которые бы как можно медленнее разрушались под действием высоких температур и радиации. То есть, нейтронов или атомов гелия, которые постоянно бомбардируют стенки реактора.
А какие работы факультета инженерии материалов Варшавской политехники за последние годы Вы могли бы назвать наиболее новаторскими или значимыми достижениями?
Ян Врубель: Прежде всего, хочу сказать несколько слов в связи с термоядерными реакторами. Наш факультет уже много лет участвует в масштабном европейском проекте EuroFusion, в рамках которого мы ведем поиск новых материалов для таких установок. Речь идет о конструкционных материалах, способных выдерживать экстремальные условия работы внутри термоядерного реактора. Мы стараемся понять, что происходит с этими материалами под воздействием высоких температур и радиации, и что можно в них улучшить, чтобы замедлить процессы деградации. На нашем факультете этим занимается большая группа специалистов. Одни проводят экспериментальные исследования, а я и моя команда, прежде всего, ищем новые материалы с помощью компьютерного моделирования. Сейчас есть новая группа материалов, которые можно назвать отличными кандидатами для такого применения — так называемые высокоэнтропийные сплавы. В отличие от традиционных, основанных на одном элементе, таких как, например, алюминиевые или титановые сплавы, высокоэнтропийные состоят из четырeх и более элементов одинаковой степени концентрации. В результате получается весьма неупорядоченная структура, но которая, как выяснилось, обладает уникальными свойствами, прежде всего — высокой устойчивостью к радиации. Это дает шансы на использование таких материалов в термоядерных установках. Однако возможных комбинаций элементов и их концентраций так много, что экспериментально проверить их все просто невозможно. Именно здесь на помощь приходит моделирование и особенно популярное сегодня машинное обучение, которое позволяет нам реально проектировать новые материалы.
Сегодня не менее популярна трехмерная печать, которая еще несколько лет назад считалась не только новшеством, но и настоящим чудом техники и технологии. Используется ли она в Вашей работе?
Ян Врубель: Да, конечно. Еще хочу добавить, что на нашем факультете инженерии материалов активно развиваются исследования в области 3D-печати, особенно в материаловедческом контексте. Это, безусловно, очень широкая отрасль, ведь существует множество разных типов 3D-принтеров. Наиболее популярные, конечно, работают с пластмассой. Но у нас в центре внимания — принтеры, печатающие металлическими сплавами. Существует несколько технологий печати металлами, и та, которой я занимаюсь больше всего, основана на использовании порошков. Сначала мы подготавливаем порошковый материал, а затем с помощью лазера или другого источника энергии он выборочно плавится. Таким образом можно создавать структуры с очень сложной геометрией. Но чтобы это было возможно, необходим не только подходящий материал, но и правильно подготовленный порошок. Здесь мы сотрудничаем как с другими исследователями в области материаловедения, так и с фирмой-партнером Варшавской политехники. Вместе мы работаем над созданием новых материалов, в том числе тех самых высокоэнтропийных сплавов, о которых я уже упоминал. Некоторые из них уже показали хорошие результаты, другие пока требуют доработки. Есть определенные технологические трудности, но у нас есть и несколько идей, как с ними справиться.
И еще один более общий вопрос на фоне двух тенденций — поиска и применения новых высокопрочных материалов или использования вторсырья, полученного путем рециклинга. Что кажется Вам более перспективным?
Ян Врубель: Конечно, многое зависит от того, какие именно материалы используются. Как я уже говорил, для термоядерных реакторов в первую очередь нужны крайне прочные, устойчивые к экстремальным условиям конструкции. Здесь важно упомянуть и возможность переработки, особенно в контексте биодеградируемых или легко восстанавливаемых материалов. Я хотел бы ещё раз вернуться к теме 3D-печати. В частности, при печати металлических деталей чаще всего используются металлические порошки. То есть, сначала из твердого материала необходимо получить мелкие частицы, чтобы получился порошок, пригодный для печати. Интересно, что эта технология распыления может быть очень полезной и в переработке: если у нас есть металлический элемент, который больше не годен к использованию, его можно раздробить,, «атомизировать», и затем снова использовать для печати.
Несомненно, это делает весь процесс не только гибким, но и потенциально экологичным.
Автор: Ирина Завиша