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 NobelistyPráci 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.
