Hełm chłodu: Plus 10 do odporności na ciepło [EUREKA DGP]

Jak uchronić się przed czymś, co nam szkodzi? Najprościej: odizolować się od takich czynników. Ta idea przyświeca producentom wyposażenia roboczego i ochronnego, które tworzą bufory między ciałem a otoczeniem. Dla inżynierów oznacza to poszukiwanie nowych materiałów, które są nieprzemakalne, nie przepuszczają wiatru, chronią przed zimnem czy gorącem.

Kiedy naukowcy z Centralnego Instytutu Ochrony Pracy (CIOP) zastanawiali się nad jeszcze lepszymi metodami zabezpieczenia przed ciepłem (promieniowaniem podczerwonym), pomyśleli: a może zamiast przed nim izolować, po prostu je odbić. Używając terminologii wojennej: przenieść walkę na teren przeciwnika. – Jeśli zawczasu odbijemy promieniowanie cieplne, to dotrze go do człowieka znacznie mniej i nie będzie potrzebna gruba warstwa izolacyjna – mówi dr inż. Marcin Jachowicz z CIOP.

Nową zasadę postanowili przetestować na hełmie, jednym z najczęściej stosowanych elementów sprzętu ochronnego. Oczywiście nie każdy musi chronić przed ciepłem, ale już te wykorzystywane np. przez hutników czy strażaków – tak. Standardowo odpowiada za to twardy materiał o właściwościach amortyzacyjnych, którym wyściełane jest wnętrze nakrycia głowy, najczęściej wykonany ze spienionego polimeru (np. poliuretan). – Takie materiały izolują przed ciepłem, co jednak oznacza, że kumuluje się ono po ich zewnętrznej stronie. Dodatkowo powodują zwiększenie masy hełmu, a co za tym idzie – zmieniają (podnoszą) środek jego ciężkości. Więc dłuższa praca w nim nie jest komfortowa – mówi dr inż. Krzysztof Baszczyński, który również pracował nad wynalazkiem.

Tylko co to właściwie oznacza, że ciepło gdzieś się zbiera i że można je odbijać? – Każdy przedmiot, który ma temperaturę, emituje promieniowanie podczerwone zgodnie z zasadą, że im jest gorętszy, tym promieniuje go więcej – tłumaczy dr Jachowicz. Materia pochłania część tego promieniowania i w efekcie się grzeje. Podobnie jednak do światła widzialnego, podczerwień można odbić. To otwiera nową ścieżkę dla projektowania sprzętu ochronnego: zamiast modyfikować konstrukcję hełmu, wystarczyłoby go pokryć warstwą materiału odbijającego. Teraz inżynierowie musieli zrobić trzy rzeczy. Po pierwsze, zidentyfikować związki, które dobrze odbijają promieniowanie podczerwone. Po drugie, zastanowić się nad metodą ich nałożenia na hełm. I po trzecie, sprawdzić, czy ta metoda będzie zgodna z parametrami fizycznymi materiału, z którego zrobiono nakrycie głowy. W końcu są one wykonane z tworzyw sztucznych, które po przekroczeniu stu kilkudziesięciu stopni Celsjusza zaczynają się topić; odpadał więc każdy proces, który wymagałby wyższej temperatury.

Naukowcy wypróbowali kilka związków, ale ostatecznie zdecydowali się na azotek tytanu. – Odbija wystarczającą ilość promieniowania i charakteryzuje się wysoką twardością, co daje nam odporność na zarysowania mechaniczne. To ważne, bo powstające rysy obniżają właściwości ochronne – mówi dr Jachowicz. Teraz pytanie brzmiało, w jaki sposób nałożyć azotek tytanu na hełm. Ostatecznie okazało się, że nadaje się do tego metoda PVD – fizycznego osadzania z fazy gazowej z wykorzystaniem rozpylania magnetronowego. Realizacja procesu może być przeprowadzona na dwa sposoby. W tej pierwszej związek rozpylany jest bezpośrednio z tarczy wykonanej z azotku tytanu na powierzchnię hełmu. W drugiej wykorzystywane są tarcze z czystego tytanu, a synteza powłoki następuje z wykorzystaniem azotu wpuszczanego do komory próżniowej. – Warstwa ma grubość kilku mikrometrów. Nie może być grubsza, bo zaczęłaby pękać pod własnymi naprężeniami. Dla naszych celów to jednak zupełnie wystarcza – mówi dr Baszczyński.

Tak zmodyfikowany hełm był jako gotowy wyrób testowany w laboratorium. Potwierdziły się założenia naukowców: nie tylko lepiej chronił przed ciepłem, ale praktycznie w ogóle nie zmieniła się jego masa i położenie środka ciężkości. Powstał artefakt godny każdego wojującego z ogniem.

Komentarz