Nečekaný objev s českou stopou může pomoci zvýšit bezpečnost letadel

Objev překvapivě jednoduché zákonitosti se podařil skupině vědců s významnou českou účastí. Našli jednoduchý způsob, jak měřit a počítat výdrž uhlíkatých materiálů. Tyto materiály používají ve stále větší míře obory od letectví po elektroniku. Výsledky nové práce by mohly škálu využití ještě rozšířit.
Ilustrační fotografie.

Ilustrační fotografie. | foto: Profimedia.cz

Nedávná bizarní havárie letadla společnost Southwest Airlines, kterému se vytrhl ze letu kus trupu, asi většině čtenářů ještě nevymizela z paměti. Jen několik dní nato se objevila vědecká práce, která ukazuje, jak by se podobným událostem dalo v budoucnosti zabránit. 

Problémy starších Boeingů sice nový objev nevyřeší, ale mohl by pomoci chránit nové generace letadel. Výsledky naleznou uplatnění i v řadě dalších oborů. Potěšitelné je, že klíčový podíl na široce aplikovatelném výsledku měla i česká věda. 

Budoucnost je v uhlíku

Zveřejnění práce v časopise Nature Communications těsně po zmiňované nehodě je dílem náhody. Experimenty a výpočty proběhly už před mnoha měsíci, ale od té doby trval standardní proces kontroly práce nezávislými odborníky.

Téma práce nemá na první pohled s leteckou konstrukcí mnoho společného. "Zkoumali jsme mechanické vlastnosti uhlíkatých vláken pomocí metody, které se u nás v ústavu soustavně věnujeme," říká hlavní autor práce Otakar Frank, který působí v Ústavu fyzikální chemie Jaroslava Heyrovského Akademie věd v Praze. Spolu s ním jsou pod prací podepsáni fyzikové různých národností působící ve Velké Británii a Řecku. 

Obliba sloučenin uhlíku v leteckých konstrukcích neustále stoupá. Kov sice plně nahradit nemohou, ale jsou lehčí a v některých ohledech mají i lepší mechanické vlastnosti. A protože uhlík je velmi běžný prvek, jsou díly z něj dostupné a poměrně levné. Moderní dopravní letadla (třeba brzy snad nasazený Boeing 787 Dreamliner) mají až 50 procent dílů z těchto materiálů. 

Konstruktéři ovšem uhlík znají stálé méně než osvědčené materiály. Hůře se jim třeba odpovídá na otázky, jak si díly z něj povedou po letech provozu nebo jak se měří jejich stav. 

Vlákna laserem měřená

Významný pokrok by měly přinést právě výsledky Otakara Franka a jeho kolegů. Objevili totiž jednoduchý způsob, jak měřit mechanické namáhání uhlíku a předpovídat jeho chování. Je jím záhadně znějící metoda, tzv. Ramanova spektroskopie. Při ní se zkoumají vlastnosti materiálu pomocí odrazu laserového paprsku. 

V partě s Nobelisty

Práci kromě Otakara Franka spolupodepsalo několik vědců. Především jsou to Andrej Geim a Konstantin Novoselov. V manchesterské laboratoři loňských laureátů Nobelovy ceny za fyziku se připravovaly vzorky grafenu, které Otakar Frank používal ve svých pokusech. Potřeboval totiž velmi kvalitní, jen jeden atom silné, a přitom poměrně velké kousky grafenu. Ty nedokáže připravit téměř žádná jiná laboratoř na světě.

"Velmi významné jméno je i Andrea Ferrari z Cambridge," říká Ludvík Smrčka z Fyzikálního ústavu. Ten se podílel na interpretaci výsledků pokusů a přípravě vzorců, které popisují chování uhlíku při mechanickém namáhání.

Není to metoda nijak nová, využívá se nejen ve fyzice, ale také například v kriminalistice. Pro zkoumání mechanických vlastností uhlíku se ale zatím příliš nepoužívala kvůli obtížné interpretaci výsledků. "Vlastně je až překvapivé, že to nikoho nenapadlo dříve," diví se Otakar Frank.

Samotné pokusy jsou na pohled velmi jednoduché. Vědci střídavě natahovali uhlíková vlákna s průměrem jednoho až dvou mikrometrů a pro srovnání také jen jeden atom silné vrstvy uhlíku, tzv grafenu. (Ten neohýbali přímo, ale nalepovali na plastovou destičku.) Laser pak měřil míru mechanického namáhání uhlíku.

Výsledky jsou zajímavější, než by jednoduché schéma pokusu napovídalo. "Zjistili jsme, že v podstatě všechna uhlíkatá vlákna, a ta se vyskytují v celé škále podob a tvarů, a ještě některé další formy uhlíku se chovají stejně. Jejich mechanické vlastnosti lze popsat jednotným vzorcem a navíc i jednoduše měřit," vysvětluje Otakar Frank.  Zdá se, že mnoho uhlíkatých materiálů lze považovat jen za vrstvy na sobě uhlíkových ležících "plátků" o tloušťce jediného atomu (tedy grafenu). 

"Je zvláštní, že jeden relativně jednoduchý vzoreček funguje pro tolik uhlíkatých sloučenin," komentuje výsledek Ludvík Smrčka z Fyzikálního ústavu v Praze, který se na výzkumu nepodílel. Připomíná, že svůj podíl na úspěchu Otakara Franka má tradice Heyrovkého ústavu. "Ramanovské spektroskopii se tam věnují dlouhodobě a mají v ní skvělé výsledky", říká Ludvík Smrčka.

Ostře sledovaná letadla

Objev by mohl pomoci při odhalování skrytých vad v leteckých konstrukcích. Když dnes chtějí mechanici zjistit, jestli se jim v části pláště letadla nedělají trhliny, použijí systém, které měří drobné odchylky ve vodivosti senzorů pláště rozmístěných v exponovaných bodech konstrukce.

Další metodou je například rentgenová tenzometrie, ta však není příliš využitelná do provozu, hodí se zejména do testovacích laboratoří. Najít univerzální, jednoduchou a přenosnou metodu je vcelku komplikované.

Práce Otakara Franka a kolegů ukazuje, že s laserovým spektroskopem to možné je. "V některých ohledech by mohl náš systém být dokonce výhodnější než ty dnešní," říká Otakar Frank.

Současné přístroje (tzv. tenzometry) se například musí složitě kalibrovat, protože měření ovlivňují teplota a vzdušná vlhkost. U spektroskopu tyto faktory nehrají roli. Nabízí se tedy lákavá možnost, že by podobný systém mohl hlídat trup letadla nepřetržitě, i během letu.  "Nepochybně se najdou i nějaké nevýhody, tak už to bývá, ale to je zatím otázka budoucnosti," říká Otakar Frank. 

Jeden nápad nestačí

Objev je podle něj v takové fázi, že už by se mohl rozjet projekt aplikovaného výzkumu ve spolupráci s některou leteckou společností. Nejspíše ale ne v Čechách. "O grant na aplikaci výsledků v praxi nyní žádají řečtí kolegové, na jejichž pracovišti v Patrasu jsem měření prováděl během své stáže," říká Frank. Právě tam se měření mechanických vlastností uhlíku věnují dlouhodobě. 

Český fyzik si také nemyslí, že by nápad mohl stačit jako základ vlastního podnikání. Za prvé je do značné míry výsledkem práce řeckého pracoviště, navíc by byl podle Franka vzhledem ke svému charakteru jen těžko patentovatelný.

Český fyzik také v práci zabrousil do oboru, který není tak úplně jeho parketa. "Ještě více než mechanické vlastnosti uhlíkatých sloučenin mě zajímá především jejich elektronická struktura, kterou lze právě například mechanickým namáháním úspěšně měnit," říká Otakar Frank.

Uhlíkaté sloučeniny, především grafen (jak již bylo řečeno, jeden atom silná vrstva uhlíku), jsou hitem i celé řady jiných oborů, než je letectví. Na spadnutí je jejich aplikace jako nového základu displejů či nejrůznějších membrán, ale koketuje s nimi i celá řada elektronických oborů. Příležitostí k dalším objevům bude celá řada. 

  • Nejčtenější

Kam pro filmy bez Ulož.to? Přinášíme další várku streamovacích služeb do TV

v diskusi je 125 příspěvků

26. března 2024

S vhodnou aplikací na vás mohou v televizoru na stisk tlačítka čekat tisíce filmů, seriálů nebo...

Z jaderné triády zbyly Britům už jen ponorky. A ty musejí posílit

v diskusi je 76 příspěvků

27. března 2024

Jadernou triádu tvoří strategické bombardéry s jadernými zbraněmi, mezikontinentální balistické...

{NADPIS reklamního článku dlouhý přes dva řádky}

{POPISEK reklamního článku, také dlouhý přes dva a možná dokonce až tři řádky, končící na tři tečky...}

Hlučínsko patří nám. Před 100 lety byl podepsán definitivní protokol o hranici

v diskusi je 41 příspěvků

28. března 2024

Před 100 lety definitivně skončily tahanice o československo-německé hranice. 28. března 1924 byl...

Rusko zastavilo odlet na ISS s první Běloruskou, letět měla i Američanka

v diskusi je 50 příspěvků

21. března 2024  10:23,  aktualizováno  14:26

Ve čtvrtek 21. března se necelých deset minut před půl třetí odpoledne měla vydat na Mezinárodní...

{NADPIS reklamního článku dlouhý přes dva řádky}

{POPISEK reklamního článku, také dlouhý přes dva a možná dokonce až tři řádky, končící na tři tečky...}

Američané odepsali modul, který je vrátil po půl století na Měsíc

v diskusi je 20 příspěvků

28. března 2024,  aktualizováno  11:41

Od začátku letošního roku je na Měsíci a kolem něj poměrně rušno. Vedle řady sond, které zamířily...

Za vyhynutím dinosaurům mohla být i doba temna

v diskusi nejsou příspěvky

29. března 2024

Dopad planetky je nyní většinou odborníků považován za hlavní příčinu vyhynutí zhruba 73 až 76 %...

Podívejte se na Boeing C-17 Globemaster, který do Česka přivezl nové vrtulníky

v diskusi nejsou příspěvky

29. března 2024

V sobotu 23. března dosedl v Praze nákladní letoun USAF, který vezl obzvlášť cenný náklad. Z...

Dočasná raketa se po téměř 70 letech loučí. Bude startovat naposledy

v diskusi jsou 4 příspěvky

28. března 2024  15:36,  aktualizováno  19:54

Tento čtvrtek stojí na startovací rampě mysu Canaveral poslední potomek raket Thor, nosič Delta IV...

Američané odepsali modul, který je vrátil po půl století na Měsíc

v diskusi je 20 příspěvků

28. března 2024,  aktualizováno  11:41

Od začátku letošního roku je na Měsíci a kolem něj poměrně rušno. Vedle řady sond, které zamířily...

Akční letáky
Akční letáky

Prohlédněte si akční letáky všech obchodů hezky na jednom místě!

Smoljak nechtěl Sobotu v Jáchymovi. Zničil jsi nám film, řekl mu

Příběh naivního vesnického mladíka Františka, který získá v Praze díky kondiciogramu nejen pracovní místo, ale i...

Rejžo, jdu do naha! Balzerová vzpomínala na nahou scénu v Zlatých úhořích

Eliška Balzerová (74) v 7 pádech Honzy Dědka přiznala, že dodnes neví, ve který den se narodila. Kromě toho, že...

Pliveme vám do piva. Centrum Málagy zaplavily nenávistné vzkazy turistům

Mezi turisticky oblíbené destinace se dlouhá léta řadí i španělská Málaga. Přístavní město na jihu země láká na...

Kam pro filmy bez Ulož.to? Přinášíme další várku streamovacích služeb do TV

S vhodnou aplikací na vás mohou v televizoru na stisk tlačítka čekat tisíce filmů, seriálů nebo divadelních...

Stále víc hráčů dobrovolně opouští Survivor. Je znamením doby zhýčkanost?

Letošní ročník reality show Survivor je zatím nejkritizovanějším v celé historii soutěže. Může za to fakt, že už...