LU SMI: Kontrolējot burbuļus metālā, var padarīt to izturīgāku un ilgtspējīgāku

Metālā var būt burbuļi? Ilgtspējība un kvalitāte

Skaitliskā modelēšana ir ļoti plašs virziens. SMI pētnieki darbojas vairāk nekā 10 dažādās nozarēs, taču viens no svarīgākajiem pētījumiem ir par burbuļu plūsmu šķidrajā metālā. “Varētu padomāt, ka tas ir kaut kas ļoti specifisks, kur tad tas vispār noder, bet īstenībā ir vesela rinda pielietojumu industrijā, kur šis pētījums ir ļoti svarīgs,” stāsta pētnieks M. Birjukovs. Piemēram, izmantojot burbuļu plūsmu, to kontrolējot ar magnētisko lauku, var maisīt metāla sakausējumus, lai tie būtu viendabīgi, kā arī iespējams izņemt no tiem netīrumus un kontrolēt sacietēšanu pēc tam. Tas nozīmē, ka gala produktā – jebkurā metāla izstrādājumā, ko lietojam, piemēram, ikdienā, saimniecībā vai darba vietās – iespējams novērst dažādus defektus, padarot materiālu tīrāku, izturīgāku, kvalitatīvāku, un, galvenais, ilgtspējīgāku.

Izaicinājumi pētniecībā

Jebkurā datora modelēšanā ir savi sarežģījumi. Piemēram, simulācijas var aizņemt ļoti ilgu laika periodu, kā arī pētniecībai nepieciešami atbilstoši materiāli un dzelži.

“Iedomājieties tipisku industriālu sistēmu, kur stāv milzīga krāsns ar sārtu, ārprātīgi karstu, šķidru metālu, kur notiek visa maisīšana un karsēšana. Neviens neļaus zinātniekiem eksperimentēt ar tik lielām iekārtām, un mēs nemaz nevarēsim,” skaidro pētnieks. Problēma ir arī tajā, ka šķidrs metāls ir ļoti augstas temperatūras, pāris tūkstoši grādu. Taču var izmantot speciālu matemātisku metodi, lai  iegūtu vairākkārt samazinātu un drošu, bet līdzīgu sistēmu, kurā notiek tā pati fizika, procesi un metāla uzvedība.

Metāls ir optiski necaurredzama viela, un arī tas apgrūtina pētniecību. Tāpēc tiek izmantoti neitroni un rentgenstari, lai redzētu metāla slāņiem cauri, un to, kā metālā iekšā uzvedas burbuļi. “Tādā veidā varam redzēt, kā burbuļi mijiedarbojas ar metāla plūsmu, savā starpā, un ar magnētisko lauku,” skaidro M. Birjukovs.

Starptautiski pētījumi un sadarbība

Lai pētījumi metalurģijā būtu veiksmīgi un notiktu ātrāk, LU SMI zinātnieki jau vairākus gadus sadarbojas ar augsta līmeņa speciālistiem Šveicē un Vācijā, izmantojot jaunākās tehnoloģijas, īpašas iekārtas un materiālus, tur notiek neitronu radiogrāfijas pētījumi. Paula Šerrera institūta (PSI) Šveicē vadošais pētnieks, Knuds Tomsens, stāsta par sadarbību ar LU pētniekiem: “Pirmo reizi, kad dzirdēju par izaicinājumiem, lūkojoties šķidrajos metālos, uzreiz iedomājos par neitroniem. Mūsu institūtā ir iespējams izveidot filmas un attēlus ar neitroniem, kas ir līdzīgi tiem, ko parasti var izveidot ar rentgena stariem. Ar neitronu palīdzību iespējams izvēlēties tādu materiālu kombinācijas, lai iegūtu nepieciešamu kontrastu – gan ar cietām vielām, gan ar šķidrumiem, gan ar gāzu ieslēgumiem burbuļos, ko pēc tam var labi redzēt, pat ja rodas šķidrajā metālā. Mēs to pirmo reizi izmēģinājām nu jau pirms 20 gadiem, un nu neitronus izmantojam savā zinātniskajā darbībā. Vēl pirms pāris gadiem nebija iespējas redzēt tādu metālu uzvedību un procesus, kā tas ir iespējams tagad. Pateicoties sadarbībai ar LU SMI, mums ir iespēja strādāt ar jaunākajām tehnoloģijām, izmēģināt ko jaunu zinātnē un apgūt jaunas pieejas.”

Sadarbībā ar PSI un izpētes laboratoriju Vācijas Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) tiek arī veiktas skaitliskās simulācijas, izmantojot tur pieejamas skaitļošanas jaudas un vietējo pētnieku ekspertīzi. HZDR arī tiek veikti rentgenstaru radiogrāfijas eksperimenti.