Wyobraźmy sobie stal, która jest w stanie pracować w temperaturach nawet dwukrotnie wyższych niż większość stopów - także tych austenitycznych. Stal tak odporną na utlenianie, której głównym zadaniem będzie praca w reaktorach jądrowych wysokotemperaturowych lub reaktorach termojądrowych. Ttemperatura dochodzić tam nawet do 800 stopni celsjusza, więc do ich skontruowania niezbędny będzie superwytrzymały materiał. Z pomocą dla świata przychodzą polscy naukowcy.

Fot: © Narodowe Centrum Badań Jądrowych Karol Malinowski, IPJ

W Instytucie Problemów Jądrowych w Świerku pracuje się nad zwiększeniem wytrzymałości cieplnej stali wykorzystując do tego celu plazmę, czyli zjonizowany gaz. Metalowy element poddawany jest bardzo krótkiemu wyładowaniu plazmowemu, które dzięki ogromnej temperaturze dosłownie na ułamek sekundy stapia jego powierzchnie. W momencie stopienia na płynną powierzchnię wprowadzane są atomy cyrkonu i lantanu, które wnikają w strukturę stali znacząco podnosząc jej wytrzymałość na temperaturę. Wyładowanie plazmowe generowane poprzez specjalistyczną maszynę osiąga temperaturę nawet do 100 milionów stopni celsjusza. Dla porównania: wnętrze naszego Słońca rozgrzewa się „zaledwie“ do 13,6 milionów stopni celsjusza.

Maszyna generująca taki „piekarnik“ nosi nazwę IBIS i została zbudowana przez Polaków jeszcze w latach 90. ubiegłego wieku. Inicjatorami badań nad polepszaniem właściwości stali byli prof. Jerzy Piekoszewski oraz dr Bożena Sartowska. Sposób przeprowadzenia na pierwszy rzut oka wydaje się dziecinnie prosty. We wnętrzu „plazmowej armaty“ w specjalnej komorze znajdują się dwie elektrody. Następnie wtłacza się do niej odpowiedni gaz wraz z lantanem i cyrkonem, aż do momentu uzyskania właściwego ciśnienia. Wtedy następuje silny impuls elektryczny o wysokim napięciu, co skutkuje wyładowaniem elektrycznym w obszarze między elektrodami. Gaz zostaje zjonizowany i płynie przez niego prąd o niesmowitej mocy. W tym czasie na zaledwie 200 nanosekund powstaje tak zwany „zgęstek“ osiągający ogromną temperaturę (nawet 100 mln stopni celsjusza). W wyniku całego procesu udaje się stopić mikrometrową warstwę stali, w którą wnikają atomy cyrkonu i lantanu. Tak "obrobiona" stal jest w stanie pracować nawet w temperaturach rzędu 750 – 800 stopni celsjusza, podczas gdy w tym czasie typowe stale austenityczne tracą swe właściwości i ulegają degradacji.

Fot: Juandoso / flickr.com / CC

To nie jedyny sposób wykorzystania IBIS’a, które może przynieść korzyści branży. W ośrodku w Świerku obstrzeliwana plazmą jest także folia tytanowa. W tym wypadku wykorzystuje się pallad lub platynę. Dzięki zastosowaniu tego pierwszego pierwiastka udało się zwiększyć odporność tytanowych elementów na środowiska, w których wykorzystywane są silne chemikalia. Platynowo „zbombardowany“ tytan daje zaś możliwość skonstruowania katalizatorów spalin, które popracują dłużej niż te „standardowe“.

Na pytanie: Kto widział plazmę na własne oczy, zapewne duża część odpowie przecząco. (Prócz tych, którzy mogli widzieć wycinarkę plazmową w akcji) A ja założę się, że prawie 90% z Was widziało plazmę, a nawet jej "dotykało" (i nie chodzi mi tutaj o telewizor). Kojarzycie wynalazek ze zdjęcia obok? Te różowe wstążki to właśnie plazma, dzięki której być może już niedługo na masową skalę będziemy produkować wyroby o bardzo wysokiej wytrzymałości.

(Instytut Problemów Jądrowych)