Odkar se je v medijih začelo govoriti o kavitaciji in mojem ERC projektu, redno dobivam nasvete. Recimo: “V časopisu sem prebral o vaši raziskavi in uporabi s področja kavitacije. Pravzaprav nič novega, ker se to v svetu že uporablja.”

Res je, kavitacija ni nič novega. Prvo poročilo (brez razlage), ki se nanaša na pojav kavitacije, najdemo v Newtonovi knjigi Optiks iz leta 1704. Skoraj 200 let kasneje sta pojav delno razložila Reynolds in Froude – inženirja, ki sta se ukvarjala z načrtovanjem ladijskih vijakov. Slednji je pojav tudi poimenoval (lat. cavitas – votlina, prazen prostor). Začetek modernega raziskovanja seže v leto 1895, ko so izdelali prvo kavitacijsko postajo, v njej pa opazovali uparjanje vode na modelu propelerja.
Napredek do leta 1950 je bil skokovit, takrat pa se je raziskovanje pojava začelo močno polarizirati. Za večino je kavitacija predstavljala predvsem nevšečnost, ki povzroča nižanje izkoristka strojev, vibracije, hrup in erozijo površin. Z nekaj zaostanka pa so drugi začeli z razvojem metod uporabe kavitacije. Tako smo bili v zadnjih 40 letih priča razvoju in uveljavitvi metod čiščenja površin, pospeševanja kemijskih reakcij, pospeševanju dezintegracije blata, tudi uničevanju bakterij. Po drugi strani pa je zaslediti tudi kar nekaj odmevnih slepih ulic – na primer mehurčkasta jedrska fuzija.

Če za kavitacijo vemo že tako dolgo in če jo že 40 let uporabljamo, lahko najdemo sploh še kaj novega? Veliko! Inženirjev velikokrat ne zanimajo odgovori, ampak rešitve – zanima nas »know-how« in ne »know-why«. Zato smo navadno hitrejši od znanstvenikov, res pa je, da zato včasih ne vidimo širše slike in lahko obtičimo.
Prepad med razumevanjem in obvladovanjem kavitacije je rasel in okrog leta 2010 dosegel vrhunec. Tistega leta je nemško fizikalno društvo organiziralo manjše srečanje z naslovom “Kavitacija v tehniki in medicini”. Tja so me zaradi opusa del o kavitacijski eroziji povabili “zagovorniki” kavitacije, čeprav sem spadal k njenim “nasprotnikom”. Srečanje je bilo izredno uspešno in postalo tradicionalno. Končno smo eni in drugi videli tudi drugo stran, celotno sliko, in “seme” za ERC projekt je bilo zasajeno:

“Kateri mehanizmi omogočajo, da kavitacijski mehurčki uničijo bakterije, inaktivirajo viruse, erodirajo površine, čistijo, mešajo, emulzificirajo, prodrejo v celice, ne da bi jih poškodovali in kako, in zakaj samo včasih pospešijo nekatere kemijske reakcije?”

Odgovore na ta vprašanja lahko najdemo le, če se iskanja lotimo od spodaj navzgor. V projektu CABUM bomo zato najprej raziskovali posamezne, čimbolj pravilne, mehurčke. Za te vemo, da so najbolj agresivni – ob kolapsu se lahko na primer segrejejo na več 1000 °C. Kaj pa, če niso pravilni (okrogli)? Je njihov kolaps še vedno agresiven? Še vedno pride do visokih temperatur? In kaj se zgodi, če v bližino mehurčka priplava bakterija? Kako to vpliva na mehurček? In… najpomembnejše… kaj se zgodi z bakterijo, ko mehurček poči?
V realnosti imamo vedno opravka z gručami (oblaki) mehurčkov, kjer spet ne razumemo, kako vplivajo eden na drugega – bo kolaps oblaka mehurčkov bolj ali manj intenziven od seštevka kolapsov posameznih mehurčkov? Ker je študija velikih oblakov prezahtevna, bomo najprej ustvarili zelo pravilen oblak in spet opazovali, kako kolaps enega mehurčka vpliva na sosednje in obratno. In spet, kako na oblak mehurčkov vpliva bližina bakterij? Kako bakterije vplivajo na oblak mehurčkov? Končno se bomo lahko lotili zadnje faze – velikih oblakov mehurčkov. V tem delu se bomo dotikali dela, ki vzporedno teče v drugem delu naše raziskovalne skupine – razvoj aplikacij za čiščenje voda.

Kaj smo naredili v prvih mesecih projekta?
Postavili smo ekipo. Sam skušam slediti dogajanju, pomaga mi Martin. Žiga poka posamezne mehurčke, Jure simulira interakcijo med mehurčkom in bakterijo, drugi Žiga išče najšibkejše točke bakterij, Tadeja isto počne z virusi. Mojca skrbi za “radikalni” del projekta. Tadej nam je pobegnil v tujino, od tam pa se je vrnil Darjan, ki se bo podal v mikrosvet. Najpomembnejši pa je verjetno Tone, ki poskrbi, da iz naših “čačk” merilnih postaj nastanejo dovršeni izdelki.

Že ob prijavi smo si zadali, da organiziramo manjše srečanje raziskovalcev, ki delujejo na področju temeljnih raziskav, kot tudi na področju uporabe kavitacije. Srečanje je takoj preraslo v resnejšo konferenco – v Ljubljano so prišli udeleženci iz 19 držav in šele tu se je zares pokazalo, kako velik je prepad med “know-how” in “know-why”.

Nadgradili smo naše meritve vpliva kavitacije na viruse. Nepričakovano nam jih ni uspelo inaktivirati z domnevno najagresivnejšo kavitacijo – še enkrat se je pokazalo, da ne vemo, kaj počnemo – če bi vedeli, ne bi bili kaj prida raziskovalci :). Zdaj nadaljujemo z analizo vzorcev s pomočjo molekularnih metod, ki bodo bolj natančno pokazale, zaradi česa sploh pride do inaktivacije.

Ena izmed najpopularnejših razlag učinkovanja kavitacije je oksidacija preko prostih radikalov, ki nastanejo ob kolapsih mehurčkov. Sistematične študije do sedaj ni opravil še nihče, večina sklepanja pa se opira na meritve razmer ob enem samem mehurčku. Pokazali smo, da obstaja povezava med tipom kavitacije, uničevanjem bakterij in tvorbo radikalov. Kot kaže, bi lahko na ta način popolnoma na novo definirali tudi pojem “agresivnost” kavitacije.

Izdelali smo povečan model bakterije. Ob tej strukturi lahko dokaj enostavno ustvarimo mehurček in z visoko prostorsko in časovno ločljivostjo opazujemo interakcijo. S tem delom je povezan tudi nakup optične pincete. Začenjamo s pripravami na boj med posameznim mehurčkom in bakterijo. Prenosa v živo na žalost ne bo, upam pa, da bosta reportaža in posnetek kmalu na sporedu. Ker bo tu resolucija meritev bistveno slabša, bodo izsledki s povečanega modela ključni za interpretacijo rezultatov.

Kaj pa objave? Za zdaj še čakajo – nekaj na pridne prste, nekaj pa na recenzente. So nam pa v februarju, po dolgi bitki, v ZDA končno podelili patent za generator kavitacije. Kot sem že enkrat omenil: v strojništvu znanost brez aplikacije nima smisla.