TRONDHEIM: Forskere fra SINTEF og NTNU deltar i et prosjekt som studerer størking av legeringer i verdensrommet.
Materialteknolognene skal utvikle bedre legeringer for bruk i kulelagre i bil- og verftsindustrien som kan tilfredstille EUs miljøtiltak for redusert bruk av forurensende elementer som bly.
Seniorforsker Ragnvald Mathiesen ved SINTEF materialer og kjemi leder prosjektet "monophase". Sammen med et knippe forskere fra flere europeiske land skal han studere hvordan gravitasjonen påvirker størkingsforløpet.
Forskingen er dyr, men nødvendig for å finne bedre materialer.
- Dette er et omfattende prosjekt der vi først og fremst er ute etter å utvikle en ny, bedre og mer miljøvennlig monotektisk legering for bruk i kulelagre. For å gjøre dette må vi forstå samspillet mellom faktorene som påvirker størkningsprosessen, og bruke denne innsikten til å designe en ny støpeteknikk, sier Mathiesen.
Industrien er i ferd med å bli pålagt miljøkrav som vil forby de materialene som nå brukes mest som kulelager i f.eks. biler. Nye og rimeligere alternativer må finnes. Stadig mindre dimensjoner og høyere belastninger på lagre og deler fører til krav om økt styrke. På sikt kan dette bare løses ved å utvikle nye legeringsalternativer.
- Skal legeringene kunne produseres med et lavt kostnadsnivå, trengs en ny prosess der mengden vrakgods minimeres som følge av tyngdekraftinduserte variasjoner i legeringens sammensetning. Målet er å lære nok om samspillet mellom faktorene som påvirker størkningprosessen til å balansere effektene av tyngdekraft, forklarer Mathiesen.
Fysikeren drar til Frankrike flere ganger i året - nærmere bestemt Grenoble, ikke for å stå på ski, men for å studere størkingsprosesser ved hjelp av høyteknologisk videoutstyr i et av verdens mest avanserte røntgenlaboratorier.
Grensesprengende
I et gedigent røntgenlabratorium ved ESRF (European Synchrotron Radiation Facility) i Grenoble kan norske forskere studere hva som skjer når smelta størkner. Ved hjelp av intens røntgenstråling og avansert utstyr kan størkningsprosessen overvåkes på et detaljnivå som trolig hadde imponert både Curie og andre.
- Å studere størkningprosesser i metaller er på grensen av det som er mulig, selv med all den teknologi vi har i dag, opplyser Mathiesen.
Den entusiastiske SINTEF-forskeren gestikulerer på fransk maner mens han viser videobilder av hva som skjer når en smelte størkner til en legering. Vi kan faktisk se størkningsprosessen trinn for trinn - se hvordan krystaller dannes, binder seg sammen, eller river seg løs for så å binde seg sammen igjen. Det hele fremstår som et fargesprakende fyrverkeri i " slow motion" etter hvert som smelta størkner.
Tyngdekraften påvirker
Fysikeren forteller at det i støpeprosesser oppstår strømninger i smelta ved at tyngre elementer synker mens de lettere stiger, rett og slett fordi smelteprosessen blir påvirket av tyngdekraften på jorden.
- Mange legeringer vil som følge av dette få en ujevn sammensetning, noe som ofte fører med seg svekkede egenskaper, påpeker Mathiesen og viser svakhetssonene på røntgenbilde. Selv utenforstående kan se at krystallene danner mønster med større og mindre tetthet.
Hvis en fysisk flytter størkningsprosessen til et sted med minimal påvirkning av tyngdekraft, unngår man svakhetssoner som følge av segresjon. Dermed kan man få dannet en homogen legering med forutsigbare egenskaper.
- Hvis vi lar en legering størkne i fravær av tyngdekraft, kan de grunnleggende prosessene studeres uten påvirkning av strømninger i smelten. Svært lav tyngdekraft kan oppnås i en romstasjon eller for kortere tidsrom i atmosfæriske raketter eller under såkalt parabolsk flyging, forteller Mathiesen.
Kostbar affære
Prosjekt "monophase" er blant annet støttet av ESA (European Space Agency, den europeiske romfartsorganisasjonen), og har et budsjett på to millioner EURO (ca. 16 millioner kroner) for nettopp å kunne studere størkningsprosesser uten påvirkning av tyngdekraft.
- Teknologisk er det ingenting i veien for at materialproduksjon kan foregå i rommet. Men bare for helt spesielle formål og i et svært lite volum vil en slik produksjon være interessant sett i lys av de ekstremt høye kostnadene. Det er ikke produksjon i rommet vi er ute etter, men en bedre forståelse av tyngdekraftens påvirkning på produksjonsprosesser her på jorda, forklarer Mathiesen, som befinner seg trygt på bakken i hele prosjektperioden.
- Vi kommer til å bidra med det vi er god på ; overvåking og modellering av prosesser, men vi vil få tilgang på datamateriale som blir samlet inn i "rommet" og nyttiggjøre oss av all den viten som kommer frem, tilføyer mannen som ikke helt vet hvorfor han endte som fysiker.
- Jeg har vel hele tiden valgt bort det jeg ikke liker, rett og slett, sier Mathiesen som trådde sine barnesko nord for polarsirkelen.
Internasjonalt prosjekt
Fra norsk side er det SINTEF i samarbeid med NTNU og Rolls Royce i Ulsteinvik som er med på EU-prosjektet. De jobber sammen med forskere og industri i Tyskland, Sverige, Østerrike, Ungarn, Belgia og Nederland. Fra Norge deltar professor Lars Arneberg og en dr. grads student ved NTNU.
Bildeforklaring:
De tre bildene under her er tatt fra en video-sekvens som viser vekst av dendrittiske søylekrystaller + plan eutektisk vekst i en Al-30 vekt%Cu-legering. Fig a.) ved tid t_0, b) syv bilder senere ved t_0+3.15 s og c) ved t_0 + 6.3 s. Det totale billedutsnittet tilsvarer omtrent 1.3 x 1.3 mm2.
