Od raziskovanja mikrokozmosa zrnatih materialov do vloge zrnatih materialov pri raziskovanju vesolja

Tijan Mede
26. marec 2025

Kot otrok sem se spraševal, zakaj je peščene gradove mogoče oblikovati le iz mokre mivke. Kasneje me je začelo zanimati, zakaj se zemeljski plazovi prožijo, kadar dežuje in kako hitro se premikajo peščene sipine v Sahari. Ko sem se spoznal z mehaniko sipkih oz. zrnatih materialov, sem našel tudi odgovore na tovrstna vprašanja.

Raziskovanje teh pojavov me je pripeljalo do širšega razumevanja obnašanja zrnatih materialov, ki imajo za človeštvo pomembno vlogo ne le na Zemlji, temveč tudi v vesolju. V našem laboratoriju na Inštitutu za materiale in tehnologije se med drugim ukvarjamo z izzivi, povezanimi z uporabo sipkih materialov v vesolju. V sodelovanju z Evropsko vesoljsko agencijo razvijamo pristope, s katerimi preučujemo možnosti uporabe 3D tiska v orbiti.

Od peščene ure do peščenih gradov

Sipki materiali, ki so v naravi vseprisotni v obliki zemlje, peska, snega in podobnih snovi, so se dolga stoletja izmikali človeškemu razumevanju. Tančico skrivnosti, ki jih je obkrožala, smo uspeli nekoliko odstrniti šele v zadnjih desetletjih s pomočjo modernih eksperimentalnih pristopov, numeričnih metod ter zmogljivejših računalnikov.

Stari Grki so domnevali, da materijo okoli nas sestavljajo štirje osnovni elementi: zemlja, voda, zrak in ogenj. Čeprav je bila njihova domneva napačna in je znanost za dolga stoletja pahnila v napačno smer, ni bila naključna. Z nekoliko parafraziranja bi lahko rekli, da so ti štirje “elementi” v naravi najpogosteje najdeni predstavniki štirih agregatnih stanj: trdno, tekoče, plinasto stanje ter plazma. V duhu logike starih Grkov bi tem štirim osnovnim elementom lahko dodali še petega – sipke materiale. Le-ti, v odvisnosti od povprečne energije posameznega zrna, lahko izkazujejo lastnosti trdnega, tekočega ali plinastega stanja, hkrati pa mnoge značilnosti, ki so docela različne od poznanih agregatnih stanj.

Rad opazujem iztekanje peska v peščeni uri. Ko jo obrnem in sprožim gibanje peska, pesek v zgornjem delu peščene ure “teče”, podobno, kot bi tekla na primer voda. Ko zrna prečkajo zožanje v peščeni uri, se pričnejo gibati hitreje, preko upora interagirajo z okoliškim zrakom ter trkajo z drugimi zrni. Kot bi bil tu pesek v svoji “plinasti” fazi. Ko zrna končno dosežejo dno peščene ure, se prenehajo gibati in z drugimi zrni tvorijo gmoto peska, ki v mnogih ozirih izkazuje lastnosti trdne snovi. Kljub vsemu pa pesek med prehajanjem skozi vse te faze ostaja sipek material z lastnostmi, ki ga razlikujejo od drugih agregatnih stanj.

Zrna peska se nad ožino peščene ure včasih “zagozdijo” in povzročijo, da se tok peska ustavi, česar vsekakor ne bi pričakovali od na primer vode. Da bi razumeli, zakaj se to lahko zgodi, moramo pobrskati nekoliko globlje v naravo sipkih materialov. Izkaže se, da za razliko od drugih materialov v primeru sipkih materialov celotno obremenitev običajno prenaša relativno majhno število sestavnih zrn. Navpična tlačna obremenitev skozi pesek se bo na primer prenašala z zrna na zrno peska predvsem tam, kjer si zrna že v začetni konstelaciji kontinuirano sledijo v vertikalni smeri in na ta način aktivirajo nekakšne nosilne stebre oz. verige v peščeni strukturi. V primeru peščene ure se nad ožino v uri na podoben način formirajo nosilni oboki, ki lahko nosijo težo preostalega peska nad njimi ter ustavijo njegov pretok.

V primeru zagozdenih zrn lahko peščeno uro stresemo in tako ponovno vzpostavimo tok peska. Če pa peščeno uro pustimo zunaj na deževen jesenski večer, se bo pesek “sprijel” in onemogočil delovanje ure. Tudi za tem fenomenom se skriva ena pomembnejših lastnosti sipkih materialov. Pore med posameznimi zrni omogočajo vstop vlage v material, ter preko kapilarnega efekta pravzaprav srkajo tekočine iz okolice. Že majhna količina vode poveča kohezijske sile med zrni ter deluje kot nekakšno lepilo. Zato iz mokrega peska lahko gradimo peščene gradove, medtem ko jih iz suhega ne moremo. Še večja vsebnost vode v sipkem materialu pa pripelje do nasprotnega efekta – s svojo prisotnostjo v porah med zrni voda zmanjšuje tlačne kontaktne sile med zrni ter s tem tudi trenje med zrni. Z vodo nasičen sipek material tako že pri relativno majhni obremenitvi lahko preide iz “trdnega” v “tekoče” stanje. Zato se ob obilnem deževju pogosto prožijo zemeljski plazovi.

Opisani primeri ponazarjajo, kako je makroskopsko gibanje zrnatih materialov ter njihov odziv na obremenitve pravzaprav seštevek tisočerih interakcij med posameznimi zrni, ki jih sestavljajo. Reologija sipkih materialov oz. iskanje konstitutivnih enačb, ki bi popisale njihovo deformacijo ob mehanski obremenitvi, je bila tako za raziskovalce od nekdaj velik izziv, saj je v obzir potrebno vzeti številne lastnosti posameznih zrn, njihovo prostorsko porazdelitev ter številne nenavadne načine, na katere le-ta lahko interagirajo. Razumevanje njihove mikromehanike pa nam lahko pomaga zasnovati učinkovite načine za doseganje inženirskih podvigov in preprečevanje naravnih katastrof. Razumevanje nosilnih verig pri sipkih materialih je vodilo do uporabe tkanin v gradbeništvu, ki prenašajo prečne sile na nosilne verige zrn ter tako preprečujejo njihov uklon in zagotavljajo nosilnost materiala. Razumevanje vpliva vode na nosilnost materiala je vodilo do široke uporabe odvodnjavanja zemeljskih in peščenih struktur s strmimi nakloninami, ki preprečujejo, da bi prevelika vsebnost vode povzročila “utekočinenje” velikih mas zemlje oz. peska.

Zrnati materiali v vesolju

Tovrstno poglobljeno razumevanje mehanike zrnatih materialov, ki je v preteklosti ključno vlogo igralo predvsem na področjih geomehanike in gradbeništva, pa bo, kot vse kaže, v prihodnosti odigralo pomembno vlogo tudi pri raziskovanju vesolja. Z rastjo ambicij po osvajanju vesolja se pojavljajo potrebe po nameščanju večjih teleskopov in anten v zemeljsko orbito ter ideje o postavljanju raziskovalnih postaj na Luni in eksoplanetih. Tovrstne strukture postajajo prevelike, da bi jih izdelovali na Zemlji ter pošiljali v vesolje. Boljše bi bilo, če bi jih lahko izdelovali v orbiti ali na površju drugih planetov. Na primer s 3D tiskanjem kovin. Vendar pa kovinski prah, ki se uporablja kot vhodni material, v izdelovalni proces prinaša številne negotovosti, povezane z zgoraj opisano kompleksno naravo zrnatih materialov. Mehanika zrnatih materialov se je tako nekoliko nepričakovano znašla v pomembni vlogi pri razvoju vesoljskih tehnologij. 

Da bi 3D tiskanje lahko uspešno uporabljali v vesolju, bo morala mehanika zrnatih materialov poiskati odgovore na nekaj ključnih vprašanj, npr. kako zagotoviti strukturno celovitost izdelanih komponent in ponovljivost procesa. 3D tisk z laserskim direktnim navarjanjem se izvaja z laserskim taljenjem površine obdelovanca in dovajanjem curka kovinskega prahu v goriščno točko laserja. Delci prahu se s pretaljevanjem nanašajo na površino obdelovanca. Dinamika curka delcev kovinskega prahu ter njihova interakcija z okoliškim plinom je ključnega pomena. Zagotoviti mora, da delci kovinskega prahu končajo na pravem mestu pretaljene površine. Vse skupaj postane še nekoliko bolj zapleteno, če so delci bolj nepravilnih oblik, kar bi se zgodilo, če bi kot vhodni material za tisk želeli uporabiti npr. neobdelan material s površja Marsa. Raziskovanje vesolja se šele dobro začenja, nas pa čaka še mnogo zanimivih izzivov.

Tijan Mede je na univerzi v Ljubljani doštudiral na Fakulteti za Strojništvo, nato pa na univerzi Grenoble-Alpes v Franciji opravil podiplomski študij iz okoljske geomehanike in doktoriral iz numeričnega modeliranja snežnih plazov. Sedaj je kot raziskovalec zaposlen na Inštitutu za kovinske materiale in tehnologije v Ljubljani, kjer v sodelovanju z Evropsko vesoljsko agencijo znanja in veščine iz geomehanike in sipkih materialov prenaša na razvoj numeričnih modelov za uporabo aditivnih tehnologij za 3D tisk v zemeljski orbiti.