Sledovat v reálném čase ztuhnutí kovů

Tým prof. Dr. Johna Banharta (1. zprava) drží světový rekord v 3D rentgenové tomografii. Zaměstnanci momentálně dokážou pořídit 50 tomogramů za sekundu. (© TU Berlin/PR/Felix Noak)

Materialisté chtějí pomocí 3D rentgenové tomografie lépe pochopit dendritický růst a zvýšit rychlost snímání rentgenových tomogramů na dvacetinásobek.

Když sledujeme kov při jeho tuhnutí, vypadá to, jako by rostly malé stromy. Tyto struktury se nazývají dendrity, odvozené od řeckého slova déndron pro strom. Proto věda hovoří o dendritickém růstu. Tento proces tuhnutí je velmi složitý a částečně ještě nepochopený. K pozorování je však potřeba rentgenové záření, protože pouze to proniká kovem. Pro odhalení procesu tuhnutí je nyní k dispozici vhodná metoda – 3D rentgenová tomografie, protože dendritický růst je trojrozměrný proces a probíhá neuvěřitelně rychle.

3D rentgenová tomografie je extrémně rychlá. Zaměstnanci prof. Dr. Johna Banharta momentálně dokážou pořídit 50 tomogramů za sekundu. To je světový rekord. „Ale pro dendritický růst to ještě není dost rychlé,“ říká vedoucí katedry struktury a vlastností materiálů na TU. „Chceme dosáhnout 1000 tomogramů za sekundu a poprvé tak aplikovat tomografii i na proces tuhnutí kovů, abychom ho lépe pochopili.“ Termín tomografie zavedl Banhartův tým nedávno. Vědci tím chtějí vyjádřit ohromnou rychlost, kterou již dokážou dosáhnout, a odlišit se tak i jazykově od pomalejší předchůdkyně – 3D tomografie.

Německá výzkumná společnost (DFG) tyto výzkumy označila za „zvlášť inovativní“ a schválila projekt „Reinhart-Koselleck“. Díky této podpoře mohou vědci, kteří prokáží výjimečné vědecké výsledky, věnovat čas rizikovým projektům. Reinhart-Koselleckův projekt financuje DFG prostřednictvím prof. Dr. Johna Banharta na pět let s celkovou částkou 750 000 eur.

Při 3D tomografii jsou trojrozměrné rentgenové tomogramy pořízeny během zlomek sekundy a zpracovány do 3D filmu. John Banhart a jeho tým mají již zkušenosti s použitím této technologie při studiu kovových pórů. Tento materiál se například používá pro tlumicí prvky v strojírenství a lehké konstrukce. Existují také první pokusy o zabudování motorů v elektromobilech do kovových pěn, aby se je chránilo před vniknutím cizích předmětů, které by mohly způsobit zkrat a tím i výbuch.

Stejně jako téměř každý pěnový materiál má i kovová pěna tendenci být nestabilní. Krásní pěnové pivo mizí rychleji, než bychom si přáli, a ve vaně lze doslova sledovat praskání pěnových bublin. Proto se lidově říká, že sny jsou pěny. Tato nestabilita pěny je také problémem pro materiálové vědce, jako je prof. Dr. John Banhart. „Kovové pěny se vyrábějí z kovového prášku a rozpouštědla. Rozpouštědlem je také prášek z kovu a vodíku. Obě složky se smíchají, zhutní a zahřejí, při čemž se uvolňuje vodík, a směs se napěňuje. Během tuhnutí bubliny praskají a spojují se do větších,“ vysvětluje John Banhart. S pomocí 3D tomografie se jeho týmu podařilo popsat, proč bubliny praskají: příčinou jsou místní tlakové zvýšení kolem částic rozpouštědla. „Proto hledáme nové rozpouštědlo, které se bude ve kovu rovnoměrněji rozptylovat a bude pěnu vyrábět jemněji,“ dodává Banhart.

Další využití tomografie jsou procesy, při nichž je kov velmi krátce taven laserovým paprskem. Může jít o laserové svařování a řezání, ale také o aditivní výrobu, známou jako 3D tisk, kdy se materiál vrstveně nanáší na součást. Tým Johna Banharta chce pomocí 3D rentgenové tomografie zjistit, co se děje v krátkém čase při tavení a znovu tuhnutí.

Druhým cílem je matematicky zpracovat obrovské množství dat, které vzniknou – několik terabajtů za minutu – tak, aby vedly k novým poznatkům. „Stojíme před obrovskou výzvou,“ říká John Banhart. Třetím cílem je vývoj funkčních a přenosných experimentálních zařízení, která umožní snímky pořizovat na synchrotronu v Švýcarsku v rámci Paul Scherrer Institute. John Banhart říká: „Potřebujeme intenzivní rentgenové záření, a to nám mohou poskytnout pouze synchrotrony.“