Oamenii de la INCAS sunt dedicați muncii lor și fac lucruri cu adevărat importante, dar despre ei se vorbește mult prea puțin. De această dată m-am întâlnit cu câțiva membri ai unei echipe care se ocupă cu realizarea și testarea de materiale noi pentru industria aerospațială.
Este un domeniu în plină dezvoltare pe plan mondial, iar România, prin INCAS, se află pe o poziție avansată, așa cum veți vedea mai departe. Nu cred că trebuie argumentată în vreun fel importanța materialelor utilizate în domeniul aerospațial.
Ca de obicei, am avut o discuție lungă și încântătoare, în care eu mai mult am tăcut. Nici de întrebări nu a fost prea multă nevoie, lucrurile mi-au fost prezentate într-un frumos stil ingineresc, deci cât se poate de clar. Acum îmi rămâne mie partea mai grea: să rezum cele ce mi s-au spus, fără ca dumneavoastră să pierdeți ceva din poveste. Să o luăm cu începutul.
Domnul dr. ing. Victor Manoliu m-a purtat prin istoria laboratorului de materiale și tribologie (pentru cei care nu știu cu ce se ocupă știința numită tribologie, voi spune că ea este o știinţă relativ tânără, care se ocupă cu studiul frecării, ungerii și uzării mecanismelor):
„Istoria acestui laborator începe cu mulți ani în urmă, odată cu înființarea unui departament de tribologie în cadrul Institutului de Mecanica Fluidelor al Academiei Române. De-a lungul timpului, la conducerea lui s-au perindat mari personalități ale științei românești, dintre care sunt de remarcat acad. Nicolae Tipei și acad. Virgil Constantinescu.
În scopul omagierii activității științifice și didactice a profesorului emerit Nicolae Tipei, ctitor al tribologiei în România, membru al Institutului American pentru Aeronautică și Astronautică, profesorul Sever Tipei, fiul profesorului, împreună cu INCAS au decis începând cu 2013 acordarea premiului Nicolae Tipei.
În prima etapă de existență a departamentului de tribologie, preocupările erau axate pe cercetarea fundamentală, iar partea experimentală era mai puțin dezvoltată. Lucurile s-au schimbat odată cu transferarea departamentului de tribologie, în 1968, la Institutul de Mecanica Fluidelor si Cercetări Aerospațiale.
Profesorul Virgil Constantinescu, care tocmai se întorsese dintr-un stagiu de cercetare în SUA, ne-a recomandat ca activitatea departamentului de tribologie să o orientăm și către partea aplicativă. Astfel s-au desfășurat programe de cercetare pe bază de contract cu industria, care era în plină dezvoltare în acele vremuri.
Practic, aproape toate întreprinderile constructoare de mașini au beneficiat de cercetările desfășurate în cadrul departamentului de tribologie. În domeniul aeronautic, departamentul a obținut rezultate importante în realizarea de straturi vitroceramice pentru protecția termică a turbomotoarelor. Au fost parcurse toate etapele, de la cercetare fundamentală, experimente de laborator, teste la sol și în zbor, până la omologarea soluțiilor tehnice.
După anul 1989 lucurile s-au schimbat fundamental. Cererile industriei au scăzut foarte mult, iar numărul contractelor de cercetare s-a diminuat dramatic. A fost o perioadă foarte dificilă, iar numărul cercetătorilor din departamentul de tribologie și materiale a scăzut dramatic, de la peste 40 de persoane, la 11, în prezent. Asta nu a însemnat o coborâre a ștachetei, ci doar o dureroasă adaptare la schimbările din economie produse după anul 1989.
În prezent, activitatea laboratorului de materiale și tribologie se desfășoară pe două direcții principale: dezvoltarea de materiale multistrat și de materiale compozite.”
Tot domnul dr. ing. Victor Manoliu mi-a făcut o trecere în revistă a preocupărilor INCAS legate de materialele multistrat.
„Materialele clasice, superaliajele, au proprietăți limitate în raport cu condițiile de funcționare din turbomotoarele moderne. Cu ajutorul materialelor multistrat putem obține o creștere a anduranței și o îmbunătățire a parametrilor de funcționare.
Într-un turbomotor, anduranța este influențată de către o serie de factori cum ar fi: temperatura ridicată de funcționare, șocul termic, coroziunea, eroziunea etc. Dintre aceștia cel mai important este șocul termic.”
În acest moment a intervenit domnul dr. ing. Gheorghe Ionescu, care mi-a explicat ce se înțelege prin șoc termic:
„Conform definiției, șocul termic este o fluctuație de temperatură care produce tensiuni mecanice în material. Nu are importanță dacă variația de temperatură este pozitivă sau negativă.
De exemplu, la pornirea pe pistă, în motor temperatura crește brusc de la 20 de grade Celsius la 1.000 de grade Celsius, iar atunci când avionul se află la altitudinea de croazieră, în momentul opririi motorului, temperatura scade rapid de la 1.000 de grade Celsius la -60 grade Celsius.”
Dr. ing. Victor Manoliu: „Pentru a îmbunătăți rezistența la șoc termic se folosesc straturi de protecție, așa numitele TBC (Thermal Barrier Coatings). Acestea asigură o rezistență la temperatură ridicată, stabilitate chimică, rezistență la coroziune și au o conductivitate termică redusă (asta asigură un transfer mai scăzut de căldură către materialul suport).
Practic, un strat de protecție de acest tip este format dintr-un strat ceramic plasat pe un suport metalic, între care există un strat de conexiune.”
La INCAS au fost realizate mai multe tipuri de straturi de protecție termică, iar eficiența acestora a fost confirmată prin testarea lor în laboratoare acreditate, în cadrul unor programe europene de cercetare. Aceste testări au mai avut o consecință importantă.
Cercetătorii de la INCAS au constatat că instalațiile de testare la șocul termic nu erau suficient de riguroase, anumiți parametri neputând fi controlați așa cum s-ar cuveni pentru a se obține niște rezultate fiabile. Din acest motiv, au decis să realizeze propriile echipamente pentru realizarea acestor teste.
Dr. ing. Victor Manoliu: „Ne-am propus să realizăm noi instalații pentru testarea la șocul termic, care să aibă parametri superiori celor mai bune echipamente din lume. După patru ani de muncă am reușit acest lucru.
Bancul de test la șoc termic realizat de noi corespunde tuturor dezideratelor, este complet automatizat, putând astfel asigura o foarte bună reproductibilitate a testelor la șoc termic. Suntem deja la a doua generație a acestei instalații. În prezent aceste instalații sunt folosite și pentru efectuarea de teste în cadrul unor contracte internaționale.”
Despre cea de-a doua direcție de cercetare a laboratorului de materiale și tribologie, cea a materialelor compozite, mi-a povestit d-na dr. fizician Adriana Ștefan.
„În ceea ce privește materialele compozite, noi abordăm atât realizarea, cât și testarea lor. Realizăm atât materiale compozite clasice, cât și materiale compozite noi, prin care încercăm să îmbunătățim proprietățile mecanice. În acest sens studiem materiale compozite care folosesc nanoparticule, cum ar fi nanotuburile de carbon sau nanopulberi. Atunci când sunt integrate într-o structură de bază, aduc un plus de rezistență mecanică.
La noi în institut au fost realizate primele cercetări din România în domeniul nanocompozitelor, de către dl. ing. Ion Dincă. Dânsul a venit cu ideea să folosim nanotuburi de carbon în matricea de bază (de obicei o rășină epoxidică), în anumite concentrații, după care să facem ranforsarea cu fibre de carbon sau de sticlă și să vedem ce obținem. Rezultatele au fost excepționale.
Nu ne-am oprit aici și am continuat cercetările asupra nanocompozitelor. Pe lângă materiale cu nanotuburi de carbon am studiat și materiale cu nanopulberi de argilă. Aici doamna dr. ing. Cristina Pelin a obținut rezultate excepționale, care au fost răsplătite cu o medalie de aur la Salonul de Inventică de la Geneva.”
Doamna dr. ing. Cristina Pelin: „Am realizat un material nou. În locul rășinii epoxidice am folosit ca matrice de bază un plastic banal, poliamida (care este folosită pe scară largă în industria bunurilor de larg consum), la care am adăugat cantități mici de nanoargilă.
Matricea compozită rezultată are o structură foarte omogenă. Ea a fost utilizată pentru realizarea de materiale compozite cu fibre de carbon, care au o rezistență mecanică foarte bună, deoarece nanoparticulele de argilă asigură un transfer foarte eficient al sarcinilor mecanice către fibrele de carbon.
Practic, în urma testelor, am constatat că materialul nostru are proprietăți mecanice similare celor care sunt folosite uzual în industria aeronautică (cele cu matrice epoxidică și fibre de carbon), dar care sunt mai ușoare și, foarte important, pot fi reciclate. Partea aceasta, ce ține de reciclabilitate, devine din ce în ce mai importantă în aviație și, în plus, putem recupera fibra de carbon, care este foarte scumpă.
Marea provocare pentru a obține acest material a fost obținerea unei structuri omogene. Nanofillerele, cum sunt nanopulberile de argilă, au tendința să se aglomereze și să formeze «cocoloașe». Asta duce la apariția unor defecte de structură care duc în final la scăderea rezistenței mecanice. Structurile obținute de noi au fost foarte omogene, până la scară nanometrică.”
D-na dr. fizician Adriana Ștefan: „Aș vrea să vă mai spun că ne-am implicat și în proiecte europene, în cadrul cărora am efectuat teste mecanice și termice, despre care vorbea și domnul dr. ing.Victor Manoliu, pentru materiale folosite în industria spațială.
Un exemplu în acest sens este participarea la proiectul HYDRA (Hybrid Ablative Development for Re-entry in Planetary Atmospheric Thermal Protection – Dezvoltarea de Protecții Termice Ablative la Reintrarea în Atmosferă). Acesta a fost primul proiect european câștigat de INCAS pe partea de materiale pentru industria spațială.
În cadrul proiectului s-au dezvoltat materiale hibride, în care sunt folosite materiale ablative (pe bază de rășină și pe bază de plută), plasate pe o bază realizată dintr-o ceramică ranforsată cu fibre de carbon. Aceste materiale hibride au fost realizate de către DLR (Forschungszentrum der Bundesrepublik Deutschland für Luft- und Raumfahrt – Centrul Național de Cercetare în domeniul aeronautic și spațial al Germaniei).
De obicei, asemenea structuri sunt supuse la teste mecanice și termice în plasmă, care sunt foarte costisitoare. În cadrul programului HYDRA s-a decis ca aceste teste să fie efectuate la noi, pe echipamentele de care dispune laboratorul nostru. Am fost nevoiți să le adaptăm și să le modernizăm pentru a satisface cerințele draconice impuse de proiect.
Rezultatele pe care le-am obținut au fost îmbucurătoare. Practic, prin testele efectuate de noi s-a putut confirma eficiența soluțiilor tehnice propuse. Și asta nu este puțin lucru. În momentul de față laboratorul nostru este implicat în programul european Clean Sky 2, mai exact în realizarea aeronavei Rotorcraft. Compartimentul nostru este implicat pe partea de testări, pentru validarea tehnologiilor și materialelor folosite în acest proiect.”
Și doamna dr. fizician Adriana Ștefan a pus pe masă o plasă plină cu eșantioane de materiale care sunt testate acum la INCAS în cadrul programului Clean Sky 2, pentru a fi folosite la aeronava Rotorcraft: structuri de tip fagure, diferite materiale compozite etc. Obiecte minunate, care nu au cum să nu stârnească interesul oricărui inginer.
Nu pot să închei fără a vă spune că, dincolo de activitatea de cercetare propriuzisă, INCAS este preocupat și de creșterea viitorilor cercetători care vor lucra în domeniul materialelor folosite în industria aerospațială.
„INCAS a organizat, împreună cu Facultatea de Inginerie Aerospațială, un program de masterat, care este finanțat în întregime de către INCAS, la care participă 15 masteranzi. În cadrul acestui program există și un curs de materiale folosite în industria aerospațială, care este susținut de doamna dr. fiz. Adriana Ștefan, și are o parte practică solidă, care se desfășoară în laboratorul nostru.”
Ce să mai adaug? Sunt convins că vom mai avea multe de spus despre laboratorul de materiale și tribologie al INCAS. În anii ce vin, de aici vor veni rezultate pe care în prezent le considerăm a fi imposibil de obținut în România.
