Til hovedinnhold

Slik kan atomer dempe bilkrasj

Slik kan atomer dempe bilkrasj

Publisert 22. februar 2014
Nytt innblikk i atomenes univers skal gjøre kommende biler mer kollisjonssikre.
Main intro image
Et gløtt inn i bulket metall – gjenskapt på atomnivå ved hjelp av matematisk modellering. "Trådene" dannes når vi krasjer og kan avgjøre utfallet av kollisjonen. Hver "tråd" er et gjennomskåret atom-lag der atomer er skjøvet ut av sin ideelle posisjon. Illustrasjon: Vasily Bulatov/Lawrence Livermore National Laboratory

I Trondheim har forskere ved SINTEF lagt ut på en uvanlig reise – innover i materialene. De skal bygge en matematisk modell av ørsmå, men viktige soner i støtfangersystemer av aluminium.

I dette virtuelle “minilaboratoriet” skal forskergruppa studere kaoset vi forårsaker på atomnivå når vi krasjer. Modellen blir den første i verden som gjør det mulig å regne på disse fenomenene i aluminium. Seniorrådgiver Trond Furu i Hydro har vært med på å bestille prosjektet og har forventninger til regneverktøyet også på mine og dine vegne:

– Modellen vil gi oss ny viten om hvordan materialsammensetningen påvirker egenskapene til aluminiumlegeringer. Ved å koble denne kunnskapen til kompetanse som designere av bildeler sitter med, kan vi lage legeringer som vil gjøre biler sikrere.

Hva skjer på atomnivå i bilens "krasj-boks" når vi kolliderer? Med ny viten om dette skal forsker Inga Gudem Ringdalen og kollegene hennes bidra til at biler blir sikrere. Foto: SINTEF / Svein Tønseth

Hva skjer på atomnivå i bilens “krasjboks” når vi kolliderer? Med ny viten om dette skal forsker Inga Gudem Ringdalen og kollegene hennes bidra til at biler blir sikrere. Foto: SINTEF / Svein Tønseth

Klikk for å åpne

 

Myke “glidelåser”

Fokuset på aluminium i prosjektet er ikke tilfeldig. Bilfabrikkene bruker stadig oftere støtfangersystemer i aluminium for å redusere vekta på bilene og dermed også utslippene.

Støtfangersystemet ligger bakenfor plastdekslet som du og jeg kaller “støtfangeren”. Bak plasten finnes støtfangerbjelker og bak der igjen en “krasjboks” som tar opp i seg energi fra støtet.

I slike bokser av aluminium er metallet inndelt i soner som kalles korn. Hvert korn består av atomer som er “stablet” i et velordnet 3D-gitter, med én og samme romlige orientering. Kornene er veldig sterke. Men mellom dem ligger tynne soner som kan fungere mer som en slags glidelåser. Det er disse SINTEF nå skal se inn i. For ingen vet hvordan “glidelåsene” ter seg når vi krasjer.

Nyttig rot

Forsker Inga Gudem Ringdalen, som leder prosjektet, forklarer at atomene i aluminium ligger stablet som appelsinene i butikken.

Slik lages beregningsmodellen

  • En matematisk modell er en modell som beskriver virkeligheten ved hjelp av likninger.
  • Viktig input i modellen kommer fra andre matematiske modeller som viser hvordan atomer påvirker naboatomer når aluminiumlegeringer utsettes for påkjenninger.
  • Til å finne "reglene" for hvordan lag med atomer reagerer, skal SINTEF bruke et dataprogram som er utviklet av materialforskere ved Lawrence Livermore National Laboratory i USA.
  • Det amerikanske programmet er laget for å beregne tilsvarende fenomener i andre materialer. SINTEF skal tilpasse programmet for aluminiumberegninger.
– Når du krasjer, forskyves lag i stabelen. Uordenen som oppstår, varierer fra legering til legering. Og jo raskere og jo mer dette rotet får bre seg ved en gitt kollisjon, jo større er sjansen for at du kommer uskadd ut av bilen. Men slike fenomener har det vært umulig å regne på til nå.

– Hvordan kan rot være av det gode når vi kolliderer?

Ved en bilkrasj kan atomer i bildeler bli skjøvet ut av den stillingen de helst vil ha. På fagspråket kalles dette dislokasjoner. Hvis mange slike forskyvninger oppstår nesten samtidig, kan de bremse hverandre. Dette bidrar til å holde materialet sammen.

– Og atomstabler som forblir ryddige, de er ikke like bra for trafikksikkerheten?

Forskyves atomer uten å møte særlig motstand, kan resultatet bli et brudd i materialet. Og sjansen for personskade øker hvis konstruksjoner i bilen din bryter sammen ved en krasj.

– Hvorfor er det så viktig å vite hva nettopp glidelåssonene tåler?

Mellom makro- og atomverdenen ligger et kunnskapstomrom som SINTEF nå skal bidra til å fylle. I "krasjboksen" som ligger bak støtfangeren i biler, skal forskerne zoome seg inn til smale soner (bildet i midten) som måles i nanometer (milliontedels millimeter). Illustrasjoner: David Morin/ CRI SIMlab/ NTNU (til venstre), Vasily Bulatov/ Lawrence Livermore National Laboratory (i midten) og SINTEF Materialer og kjemi (til høyre).

Mellom makro- og atomverdenen ligger et kunnskapstomrom som SINTEF nå skal bidra til å fylle. I “krasjboksen” som ligger bak støtfangeren i biler, skal forskerne zoome seg inn til smale soner (bildet i midten) som måles i nanometer (milliontedels millimeter). Illustrasjoner: David Morin/ CRI SIMlab/ NTNU (til venstre), Vasily Bulatov/ Lawrence Livermore National Laboratory (i midten) og SINTEF Materialer og kjemi (til høyre).

Klikk for å åpne

– Fordi det er når glidelåsene i metallet åpner seg, at materialbrudd oppstår, sier Ringdalen.

“The missing link”

Det er dyrt å vrake biler og bildeler hver gang en forsker vil se hva som skjer ved kollisjoner. Det er derfor prosjektdeltakerne lager et virtuelt “laboratorium” – for dette er hva den matematiske modellen egentlig er. Det samme har NTNU- og SINTEF-kolleger kommet langt med i full skala, vegg i vegg – i det nasjonale forskingssenteret SFI SIMLab. Senteret har utviklet regneverktøy som gjenskaper blant annet hvordan en hel bil påvirkes ved kollisjoner.

Bilindustrien bruker allerede resultatene fra dette store, virtuelle laboratoriet. Modellene som inngår her, vil ifølge Ringdalen regne enda riktigere når prosjektet hennes er i mål med sitt regneverktøy.

– For mekanismene som virker på atomnivå i glidelåssonen har vært “the missing link” ved all oppbygging av krasjmodeller for aluminium og andre metaller, sier Inga Gudem Ringdalen.

Mer enn aluminium

  • Den matematiske modellen SINTEF nå er i gang med å lage, skal i første omgang brukes til å beregne deformasjon av aluminium.
  • I seinere prosjekter kan den tilpasses for beregninger av deformasjon i andre metaller.
  • Aktuelle bruksområder kan være blant annet utvikling av arktisk stål (stål som må tåle kulde uten å bli sprøtt) og materialer for bruk i gass- og CO2-rørledninger.

Denne saken er hentet fra Gemini.no - Forskningsnytt fra NTNU og SINTEF