Új Szó - Vasárnapi kiadás, 1988. július-december (21. évfolyam, 26-52. szám)
1988-11-25 / 47. szám
TUDOMÁNY TECHNIKA szú 17 38. XI. 25. Fazekaskorongtól az űrsiklóig A LEGRÉGIBB ÉS LEGÚJABB NYERSANYAG Az égetett agyag a legősibb ember készítette anyag. A hagyományos kerámia, az egyszerű cserépedénytől a méregdrága, ékszer szépségű eozinmázas Zsolnay- vázán át a tégláig és a tetőfedő cserépig, egyaránt nedves agyagásványokból készül néhány alapművelettel: formázással, szárítással és égetéssel. De ma már számos más nyersanyagból is gyártanak alapvetően hasonló technológiai műveletek sorával kerámiát. ANYAGFORRADALOM Az emberi civilizációval egyidős az anyagok előállítása és tulajdonságaik célszerű módosítása. Az utóbbi időben egyre gyakrabban hallhatunk anyagforradalomról a XIX. század ipari forradalmának analógiája alapján. Nem véletlenül. Hiszen 100 évvel ezelőtt csupán mintegy 20 elemet használtunk, ma pedig a 92 természetes elem többségét alkalmazzák a különböző termékekben. A legegyszerűbb telefonkészülék alkatrészei például 42 kémiai elemet tartalmaznak. Földünk természeti erőforrásainak mind nagyobb hányadát kell igénybe vennünk, hogy egyre fokozódó anyagfogyasztásunkat kielégíthessük. A Római Klub már az 1972-es jelentésében felhívta a figyelmet a kellően át nem gondolt, pazarló anyaggazdálkodás veszélyére. Az alapvető nyersanyagok korlátozott volta és egyenlőtlen földrajzi eloszlása okoz gondot az emberiségnek. Egy társadalom ellátása megfelelő anyagokkal ma már sokkal inkább anyaggazdálkodási és anyagáramoltatási feladat, mint anyagkészletezési probléma. Ez, különösen a dinamikus technikai fejlődést megvalósító nemzetgazdaságok számára azt jelenti, hogy szisztematikus - a kitermeléstől a késztermék felhasználásáig terjedő vertikális rendszer egészét átölelő anyaggazdálkodás megvalósítására kell törekedniük. jelenlegi ismereteink szerint ennek egyik leghatékonyabb módja az anyagtakarékosság. E takarékosság eszköztára rendkívül széles: beletartozik a fajlagos energiaigény csökkentése, anyagtakarékos eszközök, gépek tervezése, a termékek élettartamának növelése, bizonyos anyagok közvetlen vagy közvetett (funkcionális) helyettesítése, vagy könnyen recirkuláltatható anyagok fejlesztése. Értéktelen kiindulási anyagokból gazdaságosan gyártható termékek készítésének lehetőségét éppen a kerámiák villantották fel. A kerámiák a földkéreg leggyakoribb elemeiből készülnek. Nyersanyagában ezért mindig olcsóbbak lesznek, mint azok az anyagok, amelyek helyettesítésére, pótlására használni kívánják őket. Általában drága és meglehetősen ritka (ezért stratégiai fontosságú) fémeket: kobaltot, wolf- rámot, nióbiumot és krómot tartalmazó speciális ötvözeteket helyettesíthetnek majd kerámiákkal. A tömegtermelés még messze van, bár a műszaki kerámiák valóban egyre inkább versenytársai a fém szerkezeti anyagoknak. Az űrhajózás és a rakétatechnika szélsőséges körülményei között már ma is nélkülözhetetlenek. És miközben a kutatók az anyagtulajdonságok erdejében a „csodaszarvast", a szívós kerámiát üldözték, addig az ipari kerámiák szerteágazó családjában egyre újabb felhasználási és alkalmazási lehetőségek születtek. Nagy piaca van az elektronikai kerámiáknak, egyre jelentősebbek a csontpótló biokerámiák, különleges igényeket elégítenek ki a vegyipari és nukleáris ipari kerámiák az egyik oldalon, az optikai és mágneses kerámiák a másik oldalon. Átütő szerepet játszottak a számítógépgyártás fejlődésében, a távközlésben, és már kopogtat az ajtón a kerámiacsalád legújabb gyermeke, a magas hőmérsékletű szupravezető kerámia. Kétségtelen, hogy az elkövetkező korszak uralkodó anyaga az ipari kerámia lesz. Piezoelektromos motorok A kerámiákban az atomokat nagyon erős - részben ionos és részben kovalens - kötések kapcsolják egymáshoz. Ez a nagy kötéserősség okozza egy oldalról a magas olvadáspontot, a keménységet, de más oldalról ez gátolja meg az atomi síkok egymáshoz való elcsúszását - emiatt ridegek, törékenyek és a képlékeny fémekhez képest alakít- hatatlanok. A kerámiák rendkívül változatos tulajdonságait az atomszerkezet és a gyártás során kialakuló mikroszer- kezet befolyásolásával érik el a kutatók. Például a ferroelektromos kerámiák kristályszemcséinek polarizáltságát, egyenlőtlen töltéselosztását általában nem észleljük. A gyártás során alkalmazott külső elektromágneses erőtérrel átrendezett kristályszemcsék polarizációja azonban már mikroszkóposán is észlelhető: t igy készülnek az elektromos töltés tárolására alkalmas kondenzátorok. Ha a ferroelektromos kerámia kristályának töltéselosztása a kristály közepéhez képest nem szimmetrikus, akkor megváltoztatva a kristály alakját megváltozik a kristály polarizációja is. Az ilyen kristályok alakváltozás hatására jelentős mértékű elektromos töltés felhamozására képesek, és fordítva, elektromos erőtér hatására megváltoztatják alakjukat. Ezek az anyagok a pizoielektromos kerámiák máris a kerámiacsalád egyik legvonzóbb ágát alkotják, hiszen a mechanikai energiát nagyon jó hatásfokkal alakítják át elektromos energiává (és viszont). Néhány piezoelektromos kerámiában a mechanikai alakváltozás hatására keletkező feszültség több ezer volt is lehet. Találkozhatunk is velük öngyújtók, tűzhelyek, fűtőtestek szikragyújtó szerkezeteiben. De a gyógyászat ultrahangos készülékeiben éppen úgy megtalálhatók a piezoelektromos kerámiák, mint a hadászat ultrahangos lokátoraiban. Pontos működésüket dicsérhetjük a nyomtatók szép szövegeit olvasva, mert a nagy pontosságú tintalö- velló nyomtatófejekben parányi piezoelektromos tintaforrások százai találhatók: jól szabályozott feszültség hatására hirtelen összehúzódnak és a bennük lévő tintát a papírra lövellik az adott írásjegy rajzának megfelelően. A piezoelektromos nyomtatófejjel egyszerre több szín és egészen apró részletek is nyomtathatók, miközben nagyon kis helyen elfér és más típusú nyomtatófejekhez képest sokkal kisebb meghajtófeszültséget igényel. Piezoelektromos kerámia segítette a Nobel-díjas (1986) pásztázó alagútmikroszkóp megszületését is. A mikroszkóp szívét jelentő letapogató tű mozgását virtuózán szabályozták a kerámiarudacskákból készült derékszögű három lábra a megfelelő időpillanatban adott feszültségimpulzusokkal. így érték el a valóban csúcseredményt: a tű 5-10 Á (Angström) magasságban lebegve (érintés nélkül) pásztázza végig a vizsgálandó felületet, miközben a párhuzamos elmozdulás szabályozása jobb, mint 0,1 Á (egy angström = tízmilliomod milliméter). Nem kevésbé meglepő teljesítményekre képesek a piezoelektromos motorok, amelyekkel kilo- grammnyi terheket lehet lassan és pontosan mozgatni. Az elektromos tér hatására bekövetkező kitágulást egyenes vonalú vagy forgó mozgássá lehet ugyanis átalakítani. Az ilyen motorok kicsik, könnyűk és egyszerűek, mivel nincs szükség az elektromos erőtér keltésére használt tekercsekre. Csúszás nélkül elindíthatok és megállíthatók, mindemellett kis fordulatszámon is nagy nyoma- tékot fejtenek ki. A japán Shinsei Electric Comp. fejlesztett ki egyenes vonalú, közvetlen meghajtású piezoelektromos motort. A mozgatandó tárgyat piezoelektromos sínre fektetik, a sínre nagyfrekvenciás feszültség hatására keletkező felületi lüktetés elöre-hátra hajtja a tárgyat. Ezeket az ügyes motorokat sok módon lehet majd felhasználni különböző gépekben és berendezésekben. (IMPULZUS) Hősokk-ellenállás A kerámiakutatás legnagyobb fékezője az, hogy a fém szerkezeti anyagok vizsgálatára készült módszerek nem alkalmasak a szerkezeti kerámiák alig hajszálnyi, de katasztrófát okozó repedéseinek feltárására. Három módszert találtak eddig, amelyek a kerámiaszerkezet feltérképezésére használhatók. Az ultrahang a kerámiaszerkezet-vizsgálatban is eredményes segítőtárs. A mintát jól fókuszolt hangsugár pásztázza végig, a visz- szaverödött jel megváltozásából következtetnek a szerkezetre. Sajnos csak durva hibák, 200-300 mikronos repedések deríthetök fel ezzel a módszerrel. A legelterjedtebb módszer a röntgenvizsgálat. Két típusát alkalmazzák. A japán Rigaku cég kemény (rövid hullámhosszú), alig öt mikron átmérőjű röntgensugárnyalábot használ. Az ilyen röntgen- sugár már elég mélyen behatol az anyagokba és a piciny repedéseket nemcsak a felületi rétegben „veszi észre". A szilícium-nitrid gázturbinalapátot gyártó Toshiba röntgenvizsgálati módszerét a gyógyászatból „lopta el“. Az angolok 1973-ban orvosi diagnosztikai célra fejlesztették ki a számítógépes tomográfot. A lágy röntgen- forrás és a detektor között forgatott kerámiatárgy szerkezetét - szeleténként - a számítógép jeleníti meg. Az akusztikus emisszió a legjobb vizsgálati módszer, mert már tízmikronos repedést is észrevesz. Ezzel a módszerrel vizsgálták az űrrepülőgépek hövédő pajzsát. Aktív módszer, vagyis működő alkatrészek vizsgálatára használható. Mi az akusztikus emisszió? Az anyag terhelés alatt bekövetkező repedését hangjelenség kíséri, ezt a kibocsátott ultrahangot rögzíti megfelelő mikrofonokkal a vizsgálóberendezés. A mindennapos vizsgálatokon kívül elengedhetetlen a fejlesztés, és a laboratóriumi munka eredményének nyomon követése is. Az eredeti módszereket furfangos ötletekkel fejlesztették tovább a kerámiakutatók. Fény-hang spektroszkópiával lesik meg az anyag hösokk-ellenállását. A kerámia anyagot váltakozva hevítik lézersugárral és hirtelen hútik. Ha a hóterhelés túl nagy, az anyag „kiabál", azaz hanghullámok kibocsátása közben megreped. Az egyre érzékenyebb mikrofonok egyre kisebb repedést is meghallanak. A pásztázó lézer-akusztikus mikroszkóp trükkje az - amellyel egyszerre teszi láthatóvá a repedés méretét és alakját -, hogy a mintára irányított ultrahanghullám visszaverődő jelét lézerrel jeleníti meg. Talán a rövid ismertetésből is kitűnik, hogy az említettek bonyolult, költséges, óriási figyelmet és technikai felkészültséget igénylő módszerek. A vizsgálatok elektronikájának és mechanikájának kidolgozásában a japánok viszik el a pálmát, az amerikai mérnökök pedig a vezérlő és értékelő számítógépprogramok készítésében járnak az élen. DIGITÁLIS OPTIKAI PAPÍR A brit ICI Elektronics olyan új anyagot dolgozott ki a digitális optikai jelek tárolására, amelyen sokkal nagyobb mennyiségű jel tárolható, mint a jelenlegi diszkeken vagy mágnesszalagokon. A digitális papírnak elnevezett anyag olcsó is: egy megabyte adat tárolásához szükséges mennyiség egy dollárcentnél is kevesebbe fog kerülni. A digitális papír alapja a Melinex márkanevű, 25 mikron vastag poliészter film, amelyet egy lézerfényre érzékeny polimer festékréteggel és védőréteggel vontak be. A filmből készíthető akár az orsós magnók mágnesszalagjához hasonló szalag, akár kazetta. Tárolókapacitása a szokásos mágnesszalagokéhoz képest hihetetlenül nagy: a belőle készült 750 méteres (26 centiméteres orsóátmérójú) szalagon 600 gigabyte adat rögzíthető, míg egy azonos méretű mágneses szalagon maximum 320 megabyte. A jelek rögzítése szilárdtestlézerrel történik, ugyanúgy, mint a szilárd (merev) optikai diszkekre. Az új anyagot előreláthatólag nemcsak a számítástechnikában, hanem a hang- és képrögzítésben is jól lehet majd használni. Az ICI legnagyobb problémája, hogy bár vegyipari körökben ismert, nincsenek tapasztalatai az adattárolási technikában, főként a beíró/kiolvasó rendszerek és a hajtómechanizmusok terén. Ezért olyan cégekkel fog össze, amelyek berendezéseket gyártanak új any&gához. A kanadai Creo cég például a szabványos mágnesszalaghoz hasonló szalaghoz készít meghajtószerkezetet. Sokkal nehezebb, de több lehetőséget ígér az Iomega leányvállalatának, a Berno- ulli Optical Systemsnek a megoldása: az új anyagból készített 50 mikron vastagságú lemezeket használnak. A beíráshoz és kiolvasáshoz azonban pontosan kell fókuszolni az 1 mikrométeres lézersugarakat a gyorsan forgó, vékony lemezanyagra. Az ICI úgy nyilatkozik, hogy az anyag legalább 15 évig stabil marad. A versenytárs 3 M-nek hasonló próbálkozása éppen stabilitási problémákon bukott meg. EGÉSZSÉGKÁROSÍTÓ ELEKTROMOSSÁG? Nem érezhetők és nem láthatók a mindenütt jelenlevő elektromágneses hullámok, de megzavarják a számítógépeket, a gépkocsikat és a repülőgépek biztonsági berendezéseit. Vajon hogyan hatnak az ember egészségére? Míg a vegyi anyagoknak a környezetre való ártalmasságát egyre kritikusabban vizsgálják, az elektrotechnika környezeti ártalmaival egyelőre alig foglalkoznak. A Hobby c. NSZK lap a heidelbergi egyetem higiénikuskutatóját, dr. Vargát említi, mint aki ebben az ügyben markáns nézeteket hirdet. Szerinte a nagyfeszültségű vezetékekből kiáradó sugárzások az emberi szervezetben jelentős zavarokat idézhetnek elő. A test molekulái és atomjai kibillennek egyensúlyi helyzetükből, megzavarják a biokémiai folyamatokat. A szervezetben zajló elektromos folyamatokra, amelyek 1-tól 250 mikrovoltig terjedő feszültségértékűek, ugyancsak károsan hatnak. Ennek következményei a keringési rendszerben vagy a vegetatív idegrendszerben jelentkezhetnek. Varga a lehetséges következmények közül nem zárja ki az immunrendszer gyengülését, sőt a rákkeltő hatást sem. Álláspontját többen, főleg a villamosenergia-iparban érdekeltek tagadják. Mások a térerősség megengedhető határértékén vitatkoznak. Van, aki a 20 000 V/m értéket is ártalmatlannak tartja, mások szerint már a 2000-3000 V/m is kritikus lehet. Az USA-ban csak az alacsonyabb értékek megengedettek, a SZU-ban pedig még ennél is kisebbek. Varga szerint Európa e tekintetben 20-25 évvel sántikál a szovjetek és az amerikaiak mögött. A vitatott kérdés tisztázására a svédek öt nagyobb szabású vizsgálat elvégzését tervezik a rákra való hajlam és az elektromágneses sugárzás összefüggéseiről. A megfigyelők a tudományosan alátámasztott bizonyítékok megszületéséig csak a jelenségek regisztrálására szorítkozhatnak, az elektronikus eredetű légi balesetekre, hírközlési zavarokra, a berendezések hirtelen elnémulására. Egyes járműgyárak (Ford, Toyota) egyébként már dolgoznak azon, hogy a gépkocsik egészéhez képest mindössze 6 százalék értékű jármúelektronikát érzéketlenné tegyék az ilyen kóbor hullámok ellen. ÁLLAT HELYETT SEJTTENYÉSZET Eredetileg kozmetikai szerek ártalmatlan voltának ellenőrzésére kezdték alkalmazni a Draize-tesztet, de azóta megpróbálták használni erősen agresszív vegyszerek hatásainak vizsgálatára is. A módszer lényege, hogy albínó nyulak könnyzacskóját vagy simára borotvált hátbőrét érintkezésbe hozzák a vizsgálandó anyaggal. A vizsgálatok azonban több bizonytalanságra is rámutattak. Az első, hogy az állati szervezetben tapasztaltak nem vihetők át minden további nélkül az emberre. A nyulak bőre gyakran erősebben reagál, mint az emberé. A tesztelés eredményei rosszul reprodukálhatók, nemcsak laboratóriumonként, hanem nyulanként is mások. Ezt elkerülendő az NSZK-ban megkísérlik a vizsgálatokat sejttenyészeteken elvégezni. Ez azon alapszik, hogy a tápoldatokban tenyésztett sejtek ugyancsak érzékenyek a vegyi hatásokra, kivált, ha nincs a felületükön védőréteg. A kiinduló anyag élő szövet, ebből enzimmel oldják ki a sejteket. Ezután optimális tápanyagon tenyésztik őket tovább. A sejtek korlátlan ideig életben tarthatók és felhasználhatók. (Mindenesetre fennáll az a veszély, hogy a sejtek az egymásra következő generációk során változást szenvednek.) Komplexebb vizsgálatok céljára csirkeembrió szöveteit használják fel, ezek viszonylag olcsón állíthatók elő. A cél olyan vizsgálati módszerek kialakítása, amelyek helyettesíthetik a Draize-tesztet. Nagy-Britanniában négy laboratóriumban tüdőszövetek sejtjein vizsgálják 7 különböző vegyszer hatását. Kutatják, hogy egyes kémiai anyagok milyen változásokat idézhetnek elő a májban vagy az idegrendszerben. Ettől már nincs távol a gyógyszerkutatás, s az élő sejteken végzett vizsgálatok feleslegessé tehetik az élő állatokkal való kísérletek nagy részét.
