Slovenska simbioza znanosti i industrije pršti kisikom

Po 35 milijuna dijelova crpki goriva za autoindustriju diljem svijeta proizvede se svake godine u Kolektorovu pogonu u Idriji. No da inovatori nisu dobili novac za istraživanje od svoje države, upitno je bi li se dogodio važan izum koji spašava automobilске crpke od korozije, a kamoli bi li se komercijalizirao i Sloveniji omogućio izvozni uspjeh.

U Sloveniji se od 2006. dodjeljuje ‘Puhovo priznanje’ za važne izume, razvojna dostignuća i primjenu znanstvenih rezultata pri uvođenju noviteta u gospodarsku praksu. Na godinu se dodijele najviše tri takva priznanja, a 2011. dobili su ga dr. sc. Miran Mozetič s ljubljanskog Instituta ‘Jožef Štefan’ i članovi njegova istraživačkog tima Uroš Cvelbar i Ludvik Kumar. Primjer je to ciljanog i od gospodarstva i države financiranog istraživačkog procesa koji je rezultirao patentom i njegovom ekspresnom primjenom u proizvodnji, koja je procvala zahvaljujući znanosti. Kao posebno uspješan primjer takve simbioze znanosti, istraživačkog i izumiteljskog rada s industrijom Mozetič navodi slovensku proizvodnu podružnicu velike multinacionalne kompanije Kolektor sa sjedištem u Idriji. Taj pogon proizvodi male specifične dijelove za autoindustriju.

• U Sloveniji su 2003. organizirane tzv. programske skupine kojima je dodijeljen novac za istraživanja. Moja se programska skupina dosta proširila tako da nam je novac iz te 2003. dostatan za možda 20-ak posto naših troškova. Sve ostalo dobivamo putem aplikacija naših projekata prema fondovima iz EU. Te aplikativne projekte prema fondovima Europske unije trebaju s barem 25 posto sufinancirati i industrijski subjekti, i to još u istraživačkoj fazi projekata. To pak znači da u svojim temeljnim istraživanjima moramo imati orijentaciju na nešto što će se industriji svidjeti i što joj je potrebno. To je dovelo do otkrića tehnologija koje su već sad našle svoje mjesto u proizvodnom ciklusu – kaže Mozetič.

Mozetičeva programska skupina za Kolektor je, naime, razvila postupak metalizacije kompozitnih materijala koji se upotrebljavaju u crpkama goriva u automobilskoj industriji. – Jedan bitan dio u crpkama goriva stalno je u kontaktu s benzinom ili dizelskim gorivom, i ako je od metala, podložan je koroziji. Metalni dio u crpki mogao bi se, radi zaštite, prevući slojem zlata, ali koliko bi onda ta crpka stajala? Drugo rješenje je grafit kao materijal koji je električki provodljiv i ne korodira, ali njegova krtost ne udovoljava mehaničkim zahtjevima. Međutim, ako se grafit u prahu pomiješa s polimerima, nastane kompozitni materijal pogodan za oblaganje metalne podloge. Polimer je u mješavini s grafitom kao neka kontaktna komponenta koja ima odlična antikorozivna i mehanička svojstva, ali je problem u tome što se takav kompozit i metalna podloga ne vole, ne podnose međusobno spajanje – ističe Mozetič.

Dotadašnje rješenje bio je složen postupak koji je počinjao luženjem natrijevom hidroksidom da se površinu grafitno-polimernoga kompozita učini hrapavom. Zatim bi se sve to ispralo vodom, a onda bi se na kompozit nanosio plemeniti metal paladij. Osim što je paladij vrlo skup, objašnjava Mozetič, njegovi spojevi koji se upotrebljavaju u tom postupku vrlo su otrovni i ekološki neprihvatljivi. A paladij je tu kao tanki kontaktni međusloj da bi se na njega primio oko 0,1 mikron tanak sloj nikla, koji dolazi opet u jednoj otrovnoj kemikaliji.

Na kraju, na taj sloj skupog nikla dolazi završni galvanski sloj koji sam po sebi nije skup, ali se ne može izvesti izravno na onaj kompozit grafita i polimera, nego samo na nikal. I što su Mozetič i njegov tim učinili? Jednostavno, podvrgnuli su površinski sloj kompozita djelovanju kisikove plazme i s njime izravno na galvanizaciju. Time su uklonili dvije skupe i za okoliš neprijateljske faze te ubrzali proizvodni proces. Kad su već izradili plazmatski generator, može se reći da je i proces postao daleko produktivniji, a proizvod kvalitetan i cjenovno vrlo konkurentan.

Trošak radiofrekventnoga plazmatskoga generatora je mali, za mjesečnu proizvodnju treba boca ili dvije kisika i nešto energije za generator, a u Kolektorovu pogonu u Idriji na godinu proizvedu po 35 milijuna tih dijelova crpki goriva za automobilsku industriju diljem svijeta osim Japana.

– Imamo dva tretmana kisikovom plazmom. Prvo moramo skinuti polimer s površine kompozita jer polimerizacija i metalizacija nikako ne idu zajedno. Jetkanje polimera debljine oko mikrona s površine radi se kisikovom plazmom u trajanju od oko minute. Brzina uklanjanja površinskog polimernog sloja je mala na normalnoj temperaturi, ali zagrijavanjem kompozita vrlo brzo na površini ostaje samo grafit, a unutarnja struktura kompozita i dalje ostaje nepromijenjena. Međutim, takav grafit i dalje nije pogodan za galvanizaciju. Mi tada polimer s grafitnom površinom odlazimo na sobnu temperaturu i onda ga samo na jednu sekundu izložimo kisikovoj plazmi. To je dovoljno da kisikova plazma aktivira taj grafitni sloj. Interesantno je da ta aktiviranost grafita na površini temperaturi traje samo sekundu ili manje, a na sobnoj temperaturi traje nekoliko sati, što je sasvim dovoljno da u tom vremenu taj aktivirani kompozit podvrgnemo galvanizaciji.

Put do tih parametara trasiran je tijekom mnogih eksperimenata Mozetićeva tima na malom modelu plazme i komadiću kompozita kako bi utvrdili koji su parametri plazme najpogodniji. Kad su pronašli prave parametre, uslijedio je ‘up-scaling’, odnosno prevođenje parametara iz modela na veličinu pogodnu za konkretnu industrijsku primjenu.

– Napravili smo dva metra velik plazmatski reaktor za stotine komada kompozita odjednom, potvrdili stvar u proizvodnim uvjetima, i sve smo to onda dokumentirali i patentirali. Najprije smo prijavili patent u Münchenu, nakon toga smo 2005. godine dobili europski patent i zaštitili ga dodatno u Japanu, Kini, Južnoj Koreji, Brazilu, Meksiku, SAD-u i Kanadi. Autori i inovatori u tom smo slučaju moj student Uroš Cvelbar i ja, a vlasnik patenta je poduzeće Kolektor.

Dr. sc. Miran Mozetić, redoviti profesor na Institutu ‘Jožef Štefan’ i predavač na međunarodnoj poslijediplomskoj školi u Ljubljani, ističe da se svojim temeljnim istraživanjima znanstvenici moraju usmjeriti na nešto što će se industriji svidjeti i što joj je potrebno. U njegovu slučaju to je dovelo do otkrića tehnologija koje su već našle svoje mjesto u proizvodnom ciklusu lektor, koje je Institutu platilo oko milijun eura za ta naša istraživanja, i za taj su novac dobili superliniju koja radi i danas, a radit će sigurno još godinama. Proizvodnja je vrlo pouzdana i isplativa, a kupac im je cijela svjetska autoindustrija, osim Japanaca, koji imaju svog proizvođača – objašnjava Mozetić.

– Koja je uloga znanosti u ovome što smo mi napravili s plazmom? Uloga znanosti je u tome kako uhvatiti prave parametre plazme. Dolaze nam iz industrije da im riješimo neki tehnološki problem. Pitamo ih jesu li pokušali s plazmom, oni kažu ‘jesmo, ali ne radi’, a kad ih pitamo koja je to plazma bila, oni stanu, za njih je plazma samo plazma. No za znanost svaka plazma ima svoje točno određene parametre. U ovom slučaju važni parametri su gustoća iona kisika O2+, gustoća elektrona i onih radikala na koje se razlaže molekularni kisik. I što smo mi zapravo trebali otkriti? Pravu kombinaciju gustoće iona i atoma – ako je suviše iona, dođa se degradaciji materijala; ako ih je premalo ili i nema, onda stvar ne radi. Postoji optimalna razina iona i optimalna razina neutralnih radikala. Od prvoga kontakta s Kolektorom do početka masovne proizvodnje zasnovane na našem otkriću prošlo je četiri pet godina, i to su oni ocijenili kao brzo – napominje Mozetić.

– U ovom slučaju ta su se ulaganja u naš višegodišnji rad vratila Kolektoru već u prvoj godini rada reaktora. Problem je što mi u Slovenci nemamo mnogo ‘velikih igrača’ u gospodarstvu koji imaju financijsku snagu kontinuirano ulagati u istraživačke aktivnosti. U Južnoj Koreji njihovi divovi znaju što će raditi za 10 ili 20 godina, oni zato već sad ulažu u istraživanja u tom smjeru jer znaju da ona traže i da će oni tada biti spremni za primjenu onoga što će se u međuvremenu vjerojatno otkriti i razviti za primjenu. U tom smislu i država financira specifične znanstvene istraživačke niše – zaključuje Mozetić.