A Hét 1983/2 (28. évfolyam, 27-52. szám)
1983-08-26 / 35. szám
Tudomány-technika Az ásványi tüzelőanyagok korszakának csattogó, zúgó masináit finoman surrogó huzalok, rugók, emeltyűk váltják fel. Új, tiszta, biztonságos és kimeríthetetlen energiaforrást fedezett föl az emberiség egy furcsa fémötvözet kristályrácsában. A csillogó anyagdarab belsejében misztikus erő bujkál. A kaliforniai McDonnel Douglas Űrkutatási Társaság tulajdonában levő motor nem gázt, olajat vagy villamos áramot fogyaszt, üzemanyaga a meleg víz. Energiatermelő egysége pedig egy nikkeltitán ötvözetből készült rugó. Ez az ötvözet alapvetően befolyásolhatja civilizációnk sorsát. Legalábbis így gondolják a világnak abban a néhány laboratóriumában, ahol izgatottan és reménykedve elemzik a furcsa fém, a nitinol rendhagyó tulajdonságait. A nitinol váratlanul jelent meg a színen. Semmiféle tanulmány vagy előzetes publikáció nem előzte, meg fölbukkanását, és senki sem ismeri pontosan viselkedésének titkát. Aki először találkozik vele, rendszerint meglepődik, megdöbben vagy hitetlenkedik. Szobahőmérsékleten a nitinol huzal olyan kemény, mint az acél. Ha hideg vízbe márt- - juk, egy szempillantás alatt puha lesz és hajlékony; ha meghajlítjuk, meghajlítva ma-AZ A CSODÁLATOS NITINOL rád. De ha ezután meleg vízbe merítjük, életre kel a kezünkben, hatalmas erővel viszszaugrik, ismét fölveszi eredeti alakját. Vagyis képes visszaemlékezni eredeti formájára. Olyan szilárd energiaátalakító rendszer, amely közel tíz tonna erő kifejtésére is képes négyzetcentiméterenként, ha közvetlen környezetének hőmérséklete hidegről melegre vált. A nitinol meglepő sajátosságait 1958-ban fedezték fel az USA tengerészeiének egyik laboratóriumában. Amikor az első öntvények kikerültek a kohóból, William Buehler, a haditengerészet fő kohászati szakértője rutinszerűen összeütögette az első két, ujjnyi darabot: tompa, az óloméhoz hasonló hangot adtak. Ez nem volt meglepetés. De alig néhány perccel később a második pár rúd, ugyanabból az öntvényből, úgy szólt, mint egy csengő. A két párnak csak a hőmérséklete volt különböző: a második még meleg volt, az előbbi már kihűlt. Nem sokkal később, egy tanácskozáson Buehler bemutatta a nitinol egy másik jellegzetes sajátosságát: többször meghajlítható anélkül, hogy fáradás jeleit mutatná. Az egyik meglepett kutató, aki éppen pipára gyújtott, odatartotta öngyújtóját az egyik nitinol huzalhoz, amelyet korábban harmonikaszerűen összehajtogattak. A fémdarab egy ugrással kiegyenesedett. — Ez volt a fordulópont — emlékszik vissza Buehler. A nitinolt, egyedi tulajdonságai ellenére, alig tekintették többnek, mint tudományos furcsaságnak, egészen 1973-ig, amikor fontos, de kevés visszhangot kiváltó fejlemény történt a kaliforniai Berkeleyben levő Lawrence Laboratóriumban. Ridgway Banks feltaláló megépítette a nitinol hőerőgép első működő modelljét. Banks szerkezete egy küllős kerékből áll, amely úgy helyezkedik el, egy meleg vizes tartály fölött, ahogy a vízi erőmű turbinájának lapátkoszorúja: egy része beleér a folyadékba. Minden küllőn a tengelyhez közeli pontján rögzített, a másik végén viszont egy, a tengelyen szabadon futó perselybe épített U-alakú nitinolhuzal függ. Amikor ez a fémív belemerül a vízbe, kiegyenesedik, a rögzítetlen persely elmozdul a kerék kerületének irányába, megváltozik a forgatónyomaték — hiszen áthelyeződött a súlypont — a szerkezet forogni kezd. Banks hosszú hónapokig működtette fél watt teljesítményű gépét. Figyelte, mutatkozik-e valamilyen jele a fáradásnak a nitinoldarabokon. Meglepetésére azt tapasztalta, hogy néhány százezer fordulat után a kerék gyorsabban forgott — azért, mert a nitinol memóriája kezdett kétirányúvá válni. Fokozatosan „megtanulta" visszanyerni keskeny U-alakját, a forgás felső szakaszában elhelyezkedő hűtött térben. Ahogy a meleg vízben tapasztalható formamemóriára, úgy erre a kétirányú emlékezetre sem találtak még kielégítő magyarázatot. Rézhegyek titkai Egy sor elméletet állítottak fel a nitinol szokatlan tulajdonságainak megfejtésére. Egyik sem tökéletes, de a iegtöbb kutató egyetért abban, hogy a formává It ozásra akkor kerül sor, amikor a nitinol bonyolult rombikus kristályszerkezete átalakul egy kevésbé bonyolult kockaszerkezetté. Ezt a jelenséget martenzikus változásnak nevezi a szakirodalom. Furcsa módon a nitinolt eddig alig tanulmányozták a nagy felbontóképességű elektronmikroszkóppal. A martenzikus hatást viszont már vizsgálták, legalaposabban a rézötvözeteknél, amelyek némelyike rendelkezik a nitinoléhoz hasonló, de jóval gyengébb formamemóriával. Belgiumban Luc Delaey professzor filmet is készített egy rézötvözet alakváltozásáról. A filmen hegygerincszerű vonulatok láthatók, amelyek hol megjelennek, hol eltűnnek, ahogy a fémet melegítik, illetve hűtik. Senki nem tudja, mik lehetnek. Feltehetőleg hasonló látványban lenne részük azoknak, akik a nitinolt hasonló módszerrel vizsgálják, és éppúgy nem tudnák, mit látnak, mint Luc Delaey. Eddig vagy félezer tudományos dolgozat jelent meg a kutatásokról, a különböző nitinol-berendezésekre több mint száz szabadalmat adtak ki, és hétről hétre új megoldásokat publikálnak. Az összes többi, hőenergiát hasžnositó berendezéstől eltérően ez az anyag alapvetően „kiegyensúlyozatlanul" reagál a hőmérséklet-változásokra: jóval kisebb erő szükséges a meghajlításához hideg állapotban, mint amekkora erőt kiegyenesedéskor kifejt. Más szóval: látszólag több energiát ad le, mint amekkorát felvett. Nem kell megijedni, nincs semmi baj a termodinamika törvényeivel, egyszerűen csak nem értünk valamit a nitinol viselkedésében. Már több javaslat született a varázsfémhöerőgépek felhasználására. Mivel a sajátságos memória már alig kilenc fok hőmérséklet-különbség esetén is működésbe lép, egyszerű, a napenergiát összegyűjtő berendezések vagy geotermikus források is képesek biztosítani melegvíz-szükségletét. Az így termelt néhány kilowatt öntözőberendezéseket üzemeltethetne olyan vidékeken, ahol nem épült ki a hagyományos energiarendszer, s jó szolgálatot tenne az infrastruktúrával gyengén ellátott harmadik világ gazdaságának szint minden szektorában. A fejlettebb országokban az ipari üzemek által felhasznált energia több mint kétharmadából keletkező alacsonyabb hőmérsékletű hulladék hőt lehetne hasznosítani, nitinol hőerőgépekkel átalakítva a veszteséget mechanikai energiává. Mivel a nikkel és a titán arányának változásával módosul az a hőmérséklet, amelyen a formamemória jelenség fellép, a nitinolmotorokat a legkülönfélébb hőmérsékletre lehetne tervezni. Ha például 55 százalék nikkelből és 45 százalék titánból áll, a szobahőmérséklet körüli különbségek váltják ki belőle a formamemória-reakciót. A titán arányának növelésével pedig elindulhatunk fölfelé a skálán. így a varázsfém felhasználható lenne például automatikus tűzvédelmi berendezések működtetéséhez is. A mérnökök jelenleg annak lehetőségét fontolgatják, hogy egy sor, egyre alacsonyabb hőmérsékleten működő nitinolmotort helyeznek el az ipari üzemekből távozó forróvíz-csatomában. Mivel ez a víz okozza a patakok, folyók, óceánok hőszennyeződésének jó részét, a hulladék-hőt feldolgozó nitinolmotorok fontos környezetvédelmi szerepet is betölthetnének. Hihetetlen memória! Hosszú távon az erőgépek számára szükséges hőenergia forrásául valószínűleg az óceánok, természetes tavak és a vízi erőművek gátjai mögött kialakított mesterséges tavak szolgálnak majd amelyek tulajdonképpen hatalmas napfénygyűjtő edények. Az óceán meleg felszíne és a mélyebben fekvő hideg vízrétegek közötti mintegy húsz C-fokos hőmérséklet-különbség is ideális körülményeket teremt a nitinol hőerőgépek üzemeltetéséhez. A kutatók számításai szerint alig háromszázalékos hatásfokkal működő ilyen erőművek annyi energiát nyerhetnek a Golf-áramlásból, amennyi elég az USA egész keleti partjának ellátására. Több mint húsz éve ismerjük a nitinolt. Ehhez és a lehetőségekhez képest azonban eddig nem sok olyan dolog történt, ami alkalmazásának jövőjét egyengetné. Volt már néhány olyan eset, amikor a közgondolkosának hosszú idő kellett az újdonság megemésztéséhez, lehet, hogy most is erről van szó. Bizonyos gyártástechnológiai problémákkal ugyanúgy összefügghet a lassú fejlődés. Ha nitinolt bizonyos tág határokon túl deformálják, alakja véglegesen megváltozhat — a fém kifárad. Költséges is, fél kilogramm kétszáz dollárba kerül, és az előállítása elég bonyolult. A kívánt reakcióhőmérséklet eléréséhez a nikkelt és a titánt ezreléknyi pontosságai kell adagolni az olvasztáshoz, a megfelelő tisztaság biztosítása érdekében vákuumkohóra és bonyolult kiegészitő berendezésekre van szükség. Néhány kutató véleménye szerint az eddig készült ötvözetek anyagminősége sem elég finom: az igazán tiszta nitinol valószínűleg jóval hatásosabb reakciókat mutat majd, és akár három—négy C-fokos hőmérsékletkülönbségre is képes lesz reagálni. Ridgway Banks, a nitinol hőerőgép atyja jelenleg egy új modellen dolgozik, amely a reakcióhőmérsékletnél magasabb hőfokra hevített varázsfém nyolcszázalékos összehúzódását hasznosítja. Banks úgy véli, ezzel a módszerrel lehet a leghatékonyabban munkára fogni az új anyagot, mivel a rövidülés ereje az energiatermelő elem teljes keresztmetszetén hat. Berkeleyben levő új laboratóriumában épített gépének prototípusa mintegy húsz watt energiát szolgáltat. — Ez olyan motor — mondja Banks —, amely továbbfejlesztve több kilowattos vagy akár megawattos teljesítményt is produkálhat. Mivel a nitinol vegyileg semleges anyag, folynak olyan laboratóriumi állatkísérletek is, amely a szervezetbe való beépítés lehetőségét vizsgálják. Fogszabályozó kereteket, a törések összenyomásos helyretételéhez használatos támasztólemezeket, a test nehezen elérhető helyeinek vizsgálatára alkalmas sebészeti szondákat készítenek belőle. Talán a legambíciózusabb elképzelés ebben a körben az a mesterséges szív, amelyet az izmokhoz hasonlóan összehúzódó és elernyedö nitinol huzalok mozgatnának. Ha sok kérdés vár is még válaszra, egy bizonyos: nem kell attól tartanunk, hogy nem lesz anyagi alapja a megszülető ötletek kivitelezésének. A nikkel és a titán bőségesen és olcsón bányászható fém, és a készletek nagyjából egyenletesen oszlanak el a Földön. Minden a szándékon múlik. Az pedig — a jelekből ítélve — komoly. 18
