[ Teorija . teorija oblikovanja ]

[ časopisne objave ]

intervju Ignaas Verpoest, strokovnjak za materiale
Nova letala so le plastične škatle
[ Dnevnikov objektiv ] sobota, 22. 9. 2007
Besedilo: Barbara Predan


Ignaas Verpoest, foto: Luka Cjuha, Dnevnik

Znanost o materialih je fascinantno področje. Znanstveniki se dnevno trudijo razviti nove, še bolj pametne materiale, ki nam bodo lajšali vsakdan. Zato, da ne bi še naprej živeli v prepričanju, da stvari nastanejo kar same od sebe, je Ignaas Verpoest spodbudil natečaj in razstavo, ki skuša na poljuden način javnosti približati kompozitne materiale.

Verpoest je doktor uporabnih znanosti in profesor na oddelku za metalurgijo in inženirstvo gradiv na Katoliški univerzi v belgijskem Leuvnu. Njegovo delo se osredotoča na razvoj novih kompozitnih materialov in trajnostnih proizvodnih procesov. Pri svojem delu se dnevno srečuje s proizvajalci in oblikovalci, s katerimi sodeluje pri razvoju inovativnih kompozitnih izdelkov. Razstava z naslovom Kompoziti na pohodu je do 30. septembra na ogled v Arhitekturnem muzeju Ljubljana na Fužinskem gadu.

Začniva na začetku. Kaj so kompoziti?
Kot že ime pove, gre za sestavljen material. Gledano na splošno, kompozit združuje vsaj dva različna materiala. Med bolj znanimi primeri je armirani beton. Gre za združitev betona, ki je poceni in ima dobro tlačno trdnost, ter jekla, ki je malo dražje, toda z izredno dobro natezno trdnostjo. Z združitvijo obeh dobimo poceni material, ki ima dobro tlačno in natezno trdnost.

Na razstavi smo se omejili na kompozite iz polimerov (plastične mase), ki so ojačani z vlakni. Podobno kot pri armiranem betonu imamo tu poceni material, plastiko, ki jo zelo enostavno oblikujemo - vlivamo, brizgamo, barvamo -, in na drugi strani vlakna, ki so izredno lahka ter hkrati ekstremno močna in trpežna. Z združitvijo dobimo kompozit, ki je petkrat lažji od jekla, dvakrat lažji od aluminija in ima hkrati enako moč kot druga dva. Za enako trdnost dobimo veliko lažjo konstrukcijo, in to je osnovna ideja kompozitov.

Kljub splošnemu pomenu besede kompozit - sem spadajo tudi koče iz blata in slame - mislimo, ko govorimo o kompozitu, največkrat na material, ki vsebuje plastične mase in vlakna. Prav s plastiko pa kompozite še danes po pomoti zamenjujemo. Izraz kompozit je šele v šestdesetih letih 20. stoletja zamenjal prvotni izraz ojačana plastika (reinforced plastic) z namenom, da se znebi negativnega pomena. Kaj je bilo tako negativno pri prvotnem izrazu?
Plastika je prišla na tržišče v poznih tridesetih letih, še posebno pa se je razširila po drugi svetovni vojni. Ker je lahko vodljiv material, so jo v glavnem uporabljali pri izdelavi majhnih predmetov, kjer moč ni imela nobene vloge. Glavni problem je bil v tem, da so ljudje plastiko povezovali z nizkokakovostnimi izdelki. Material je bil izredno popularen, pojavile so se nove igrače, kemični svincniki… Toda da bi po moči lahko nadomeščal jeklo, tega nihče ni verjel. Ker so se znanstveniki temu želeli izogniti, so v šestdesetih načrtno uvedli izraz kompozit. V glavnem zato, da bi ljudje pozabili, da je v njem plastika. Ta je v kompozitu predvsem zato, da zlepi vlakna skupaj. Vse temeljne lastnosti kompozitov prispevajo vlakna.

Arhitekture dvajsetega stoletja si brez armiranega betona ni mogoče predstavljati. Na področju oblikovanja vsakdanjih izdelkov pa uporaba kompozitov še ni tako vseprisotna. Zakaj prihaja do tolikšnega časovnega razkoraka med razvojem in uporabo?
Opazili smo, da je potrebno neko časovno obdobje, preden pride novi material do prave uporabe. Steklena vlakna so razvili v tridesetih, prvi stol iz kompozitov pa smo dočakali leta 1948. Oblikovala sta ga ameriška oblikovalca Charles in Ray Eames. Toda do prave, razširjene uporabe kompozitnih materialov iz steklenih vlaken in poliestra smo morali čakati vse do šestdesetih let. Podobno je bilo s karbonskimi vlakni. Razvili so jih v začetku šestdesetih, toda oblikovalci so ponovno potrebovali približno petnajst let. Prvi kompozitni stol iz karbonskih vlaken je oblikoval italijanski oblikovalec Alberto Meda.

Se pa razvoj občutno opazi v industriji. Verjetno poznate zgodbo novega boeinga 787. Več kot 50 odstotkov celotne strukture bo narejene iz kompozita. Ljudem zdaj razlagam, da ko vstopajo v nova letala, v resnici vstopajo v plastične škatle. (smeh) Potem se vsi malo prestrašijo, ampak v osnovi je tako. Na srečo so tej plastični škatli dodana vlakna, ki nosijo potrebno težo.

Potem je tu še avtomobilska industrija. Formula 1 je tako ali tako že v celoti narejena iz kompozitov, toda tu gre za zelo drago proizvodnjo. Razvijamo pa trenutno z nekim proizvajalcem povsem običajen avtomobil, ki bo v celoti narejen iz kompozitov. Avto bo sicer še vedno drag, toda ker bo v celoti narejen iz kompozitov, bo veliko lažji, zato bo porabil manj energije.

Omenili ste stol zakoncev Eames. Stol je bil konec štiridesetih narejen za mednarodni natečaj, ki je iskal nizkocenovno pohištvo. Danes se zdi največji problem kompozitov ta, da je material predrag. Jure Miklavc, član žirije na natečaju Kompoziti na pohodu, je kot enega ključnih kriterijev žirije navedel upravičenost uporabe materiala. In prav na tej točki so zaradi previsoke cene številni izdelki izpadli. Zakaj je strošek proizvodnje še vedno tako visok?
Eden od razlogov je, da proizvodni procesi prihajajo iz "okužene" letalsko-vesoljske industrije. Tam se je razvoj začel. V obdobju od petdesetih do sedemdesetih let stroški proizvodnje niso nikogar zanimali. Edino merilo je bila najvišja kakovost. Šele danes resnično razvijamo proizvodne metode, ki temeljijo na zniževanju stroškov, zmanjševanju odpadkov ipd.

Druga stvar pa je, da se bodo morali oblikovalci - v mislih imam bolj tehnične oblikovalce - naučiti delati s kompoziti. Kajti kompoziti se obnašajo povsem drugače kot na primer kovine. Že z načinom, kako usmeriš vlakna, lahko izdelku povsem spremeniš lastnosti. Oblikovalci morajo to razumeti in optimalno izkoristiti pri svojem oblikovanju izdelka. To pa seveda zahteva čas.

Naj pa opozorim, da ko govorimo o visoki ceni kompozitov, govorimo o kompozitih, ki vsebujejo karbonska vlakna. Za kompozite iz steklenih vlaken to ne velja. Ti so pravzaprav izredno poceni.

Zdi se mi zanimivo, da smo v številnih primerih s kopiranjem vzorcev iz narave povečali učinkovitost umetnih materialov. Biomimetika je v znanosti gradiv zelo pomembno polje raziskovanja. Kaj pa narava? Kaj ima narava od naše uporabe kompozitnih materialov?
Poskusil bom dati kar se da pravilen odgovor. Pri vseh stvareh, ki se gibljejo - avtomobilih, tovornjakih, letalih itd. -, je treba zmanjšati težo. Z manjšo maso pri gibanju pride do manjše porabe energije. In to je ena od prednosti kompozitnih materialov. Pri že omenjenem kompozitnem avtomobilu lahko v primerjavi z jekleno šasijo zmanjšamo težo avtomobila za 100 do 250 kilogramov. Kar je zelo pomembno. Enako velja za letalo. Če lahko težo letala zmanjšamo za 20 odstotkov, je to ogromno. To je torej prva točka: lažji izdelki, manjša poraba energije.

Je pa tu en minus. Proizvodnja karbonskih vlaken zahteva ogromno energije. Seveda tudi proizvodnja jekla in aluminija terja visoko porabo energije, toda pri karbonskih vlaknih je poraba še višja. Pri grobi kalkulaciji - ta je odvisna od modela avtomobila - moramo tako prevoziti od 60.000 do 120.000 kilometrov, preden se odkupimo za ekološko škodo, ki nastane pri proizvodnji karbonskih vlaken. Ker pa danes z avtomobilom prevozimo 150.000 kilometrov in več, se na koncu tehtnica prevesi in kompozitni avtomobil postane energijsko veliko bolj učinkovit.

So pa tu še tako imenovani zeleni kompoziti. Pri teh kompozitih namesto steklenih in karbonskih vlaken uporabljamo naravna vlakna. Na naši univerzi veliko delamo s svilo. Značilnost karbonskih vlaken je, da so izredno močna, toda hkrati precej krhka. Dovoljujejo zgolj odstotek do dva deformacije, preden se zlomijo, medtem ko svila dopušča do 20 odstotkov deformacije. In novonastale lastnosti omogočajo zelo zanimive izdelke.

Poleg svile je za znanost gradiv nedvomno zanimiva tudi pajčevina. Smo že kaj bliže v razvoju umetnih vlaken, ki bodo imela enake ali celo boljše lastnosti od pajčevine?
(smeh) Žal še nismo blizu. Pajčevina je seveda še veliko boljša od klasične svile. Toda problem je, da pri pajkih te "svile" ne moreš "požeti". (smeh) Veste, sviloprejke so zelo miroljubne gosenice, v primeru, da bi imeli tisoč pajkov, pa… pajki se med seboj napadajo in jejo. Zgolj sanjamo lahko, da bi imeli nekakšno strukturo, podobno satovju, in v vsaki luknji po enega pajka, kjer bi ga nato na neki način "pomolzli". Gre pa pri teh vlaknih nedvomno za čudež narave.

Me pa to spomni na neko zgodbo, resnično zgodbo, s področja genskega inženiringa. Vzeli so pajkov DNK in ga vstavili v kozo. Iz kozjega mleka, ki je tako kot pajčevina beljakovina, so nato poskušali narediti vlakna. Po malem so res spominjala na pajčevino, toda v osnovi je šlo za zelo čudno zadevo. Izsledke so patentirali in objavili, toda na trg izdelek ni prišel, kar očitno pomeni, da ni dosegel pričakovanih rezultatov. Dejstvo je, da se znanost nikoli ne ustavi. Toda za zdaj alternative še ni.

Ko sva ravno pri napredku v znanosti: kako pa je s tako imenovanimi pametnimi materiali (smart materials), materiali s spominom za obliko (shape-memory materials) in samozdravilnimi materiali (self-healing materials)?
Pametni material je generičen izraz. Razvoj gre v številne smeri, saj je povezan s tem, kakšno "spretnost" materiala išcemo. Če se ne motim, je stvar že tako dalec, da ravno zdaj zapušča laboratorije. Gre pa za veliko bolj specializirane smeri kot v primeru kompozitnih materialov. Pri kompozitih gre namreč v glavnem za to, da nadomeščajo strukturne materiale, kot so jeklo, beton, les. Pri pametnih materialih in materialih s spominom pa raziskujejo področja, kjer na primer zaznavajo določene funkcije v človeškem telesu.

Pri samozdravilnih materialih gre nedvomno za velik izziv materialni znanosti. Vsi, ki izdelujemo sintetične materiale, smo še zelo daleč od tega, kar lahko naredi narava. Ko se urežeš, se rana zaceli. To je fantastična zadeva.

Ali pa nosorogov rog. "Sestavljen" je izključno iz odmrlih dlak, toda povsem brez razpok. Če do razpoke pride, se ta, kljub temu, da v rogu ni živih celic, sam obnovi.
Ja, od tega smo še zelo daleč. Obstaja kar nekaj skupin, ki se ukvarjajo s samozdravilnimi kompoziti, toda to so zelo enostavni poskusi v primerjavi z naravo.

Sullivanovo misel "oblika sledi funkciji" v katalogu XTRA Strong / Light Composites (naprodaj ob razstavi) Lut Pil spremeni v "oblika sledi materialu". Skovanko sta v knjigi Materials and Design (Materiali in oblikovanje) uporabila tudi avtorja Mike Ashby in Kara Johnson z razlago, da pri vsakem projektiranju na obliko izredno vpliva sama narava materiala. Na drugi strani pa vi v katalogu zapišete: "... unikatna prednost kompozitov je v tem, da oblikovalcem ne ponuja zgolj, da oblikujejo obliko izdelka, temveč da lahko ustvarijo optimalen material za predvideno obliko." Če to drži, potem ne moremo trditi, da oblika sledi materialu, saj je prvič v zgodovini oblikovanja stanje obrnjeno.
To je povsem res. Ravno zato verjamem, da so kompozitni materiali tako zelo unikatni, saj dovoljujejo oblikovalcu, da ustvari material za povsem določeno uporabo, namen. In to vse do danes ni bilo mogoče. Poglejmo jeklo. Vsa jekla imajo enako togost, ne glede na to, kakšno jeklo uporabiš. Pri kompozitih pa to ne drži. Izdelaš lahko kompozitne materiale, kjer togost prilagajaš glede na potrebo. Narediš lahko fantastične stvari. Seveda pa to zahteva, da oblikovalci materiala ne uporabljajo zgolj zaradi lepega učinka. Uporabljati ga morajo zato, ker ga lahko izkoristijo na več načinov. In to je pravzaprav tudi eden od ciljev te razstave, da se bodo oblikovalci zaljubili v kompozite in jih začeli izkoriščati pri svojem delu.

Imela sem priložnost govoriti z nekaterimi oblikovalci, ki so delali s kompoziti in se s trditvijo, da material sledi formi, niso strinjali. Njihov odgovor je bil, da imajo tako kot vsi drugi materiali tudi kompoziti svoje posebnosti, in te moraš pri delu upoštevati. Kako jim odgovarjate?
Ne, ne, to absolutno ne drži! Veliko oblikovalcev ob stiku z materialom ne prestopi meje osnovnih lastnosti kompozitov. Številni oblikovalci še vedno delajo z istim materialom, s katerim je že pred šestdesetimi leti začel Charles Eames. In to je zame zelo čudno. Redki namreč presežejo in izkoristijo možnost inteligentne uporabe materiala.

Eden od motivov za pripravo omenjene razstave je bil kompozit kot material in izdelke iz njega približati javnosti. Bruce Mau v knjigi Massive Change (Mogočne spremembe) zapiše, da večino časa živimo med nevidnimi sistemi, blaženi v nezavedanju umetnega sveta in silnih infrastruktur, ki ga podpirajo. Zakaj se vam zdi tako pomembno, da splošna javnost spozna in razume material?
To bo morda zvenelo kot splošna pripomba znanstvenika, toda vsakič znova sem presenečen, da se ljudem vse te kompleksne stvari, ki so okoli nas, zdijo povsem samoumevne. Enostavno mislijo, da rastejo kot cvetlice, da so pač kar tam. In to absolutno ne drži. Za vsako enostavno stvarjo, ki jo uporabljamo vsak dan, je ogromno poskusov in popravljanja napak. Zato se mi zdi tako pomembno, da znanstveniki del svojega časa posvetijo pojasnjevanju. Svet okoli nas postaja vedno bolj tehničen, vedno večji je vpliv znanosti, toda ljudje se tega sploh ne zavedajo.

Poglejmo samo čudež mobilnega telefona. Gre za izjemno kompleksno stvar, toda zdi se, da številni mislijo, da mobilni telefoni rastejo na poljih. Zato se mi zdi zelo pomembno, da v ljudeh prebudimo zdravo radovednost. Dostikrat znajo biti presenečeni nad lepoto, včasih pa tudi nad slabo stranjo tehničnega razvoja.

Drugo, kar želimo, pa je, da splošna javnost izve, da obstajajo materiali, ki lahko izboljšajo našo ekološko raven. Zavedati se moramo, da različni materiali različno vplivajo na naravo. Običajno gre za dva preveč poenostavljena koncepta. Naj navedem primer. V zadnjem času v Belgiji ni več mogoče dobiti v trgovinah navadnih plastičnih vrečk. V trgovino si prisiljen prinesti svojo vrečko, ki jo pač vsakič znova uporabiš.

To je vse lepo in prav, toda takšno dejanje je pljunek v morje. Kajti v to vrečko nato zložimo takšne in drugačne izdelke, spravljene v nešteto plastičnih embalaž. In zato se mi zdi, da je takšna akcija le slepilo za ljudi. Gre zgolj za občutek, da s tem, ko ne uporabljamo plastičnih vrečk, naredimo nekaj dobrega za naravo. Seveda gre za majhen korak, toda po mojem gre za nepomemben korak. Zato se mi zdi pomembno, da kot znanstvenik izobražujem ljudi o stvareh, ki so resnično pomembne.

Danes se na primer nikomur ne zdi problematično, da kamorkoli gremo, uporabimo avion. Ob tem pozabljamo, da na vsakih 100 kilometrov, ki jih preletimo, porabimo od 4 do 5 litrov kerozina. In vse, kar smo privarčevali pri vreckah in hibridnih avtomobilih, v trenutku porabimo. Nujno je, da se zavedanje na področju ekologije globalizira, in v tem smislu je ponujanje kompozitov kot alternativnih rešitev za nekatere izdelke nedvomno prednost. Pomembno je, da ljudje razumejo, zakaj je plastika nenadoma tako močna kot jeklo. Kajti z razumevanje se hkrati izboljšuje sprejemanje novih izdelkov.

Eden od razlogov, da se v avtomobilski industriji še vedno obotavljajo, je delno tudi v njihovem razmišljanju, da javnost takšnih avtomobilov ne bo sprejela. Mislijo, da so jekleni avtomobili za ljudi edina prava stvar. Če pa pokažemo, da gre v resnici za boljšo alternativo, se ta trend lahko obrne.

Omenjate tudi, da so kompoziti, gledano z ekonomskega stališča, lahko odgovor na porast konkurence, ki prihaja iz dežel s poceni delovno silo. Lahko to bolj razložite?
Gre za zapleteno zadevo. Proizvajalci si dnevno prizadevajo zmanjšati stroške izdelave. Če izdelava izdelka zahteva veliko človeškega dela, lahko tega veliko ceneje dobiš v deželah tretjega sveta, in temu primerno se večina proizvodnje seli tja. Če pa velik odstotek celotnega stroška temelji na materialu - pri kompozitu prispeva material od 75 do 85 odstotkov končne cene -, tega nima smisla izdelovati v Indiji ali na Kitajskem. In tu se ponuja priložnost, da takšne izdelke izdelujemo v Evropi. Seveda je pri tem treba gledati od izdelka do izdelka. Pri številnih primerih gre ravno za obratno zgodbo. Na primer, z Univerzo v Bangladešu razvijamo kompozite, ki zelo uspešno uporabljajo juto kot vlakna. Je pa svetovna ekonomija preveč kompleksna stvar zame, da bi jo lahko zares povsem razumel.

Philip Ball, londonski publicist s področja znanosti, je zapisal, da je v dvajsetem stoletju vpeljava sintetičnih polimerov največja sprememba, ki smo jo doživeli na področju znanosti gradiv. Postavljam hipotetično vprašanje, kaj bo po vašem mnenju tista sprememba, ki bo zatresla enaindvajseto stoletje?
(smeh) Veliko ljudi trenutno stavi na nanotehnologijo. Po mojem mnenju gre za pomemben korak, toda korak, pri katerem naše razumevanja materiala z mikroosnove prenašamo na nanoosnovo. Skratka gre za enako razumevanje, toda na manjši skali.

Po mojem mnenju je velik izziv za prihodnost narediti materiale bolj žive. Združiti živeči material z mrtvim. Da torej v mrtev material vnesemo nekaj življenja. V tem primeru je koncept samozdravilnih materialov eden najbolj enostavnih. Obstajajo teorije za izdelavo molekul, ki bodo reagirale na zunanje vplive na način, kot bomo mi zahtevali. Ampak to so že problemi za naslednjo generacijo. Morda zveni kot znanstvena fantastika, toda do tega bo zanesljivo prišlo.

[ knjižne objave ] [ objave v zbornikih, katalogih ] [ razno ]