Uniwersytet Śląski w Katowicach

Czy smartfon wytrzyma w kosmosie?

| Weronika Cygan |

Zbliżamy się do momentu, w którym loty kosmiczne przestaną być dostępne wyłącznie dla garstki naukowców i inżynierów. Już niebawem ponownie wyślemy ludzi na Księżyc. Następnym przystankiem będzie Mars. Jak podczas tych wypraw sprawdzi się nasza elektronika?

Obecność ludzi we wszechświecie wiąże się z licznymi wyzwaniami. I nie chodzi wyłącznie o ekstremalne warunki, jakim poza ziemską atmosferą poddawany jest organizm człowieka. Promieniowanie słoneczne, próżnia, temperatura czy stan nieważkości wpływają również na sprzęt i materiały, z których powstał. W ramach konkursu „Swoboda badań” Inicjatywy Doskonałości Badawczej dr Iwona Lazar z Wydziału Nauk Ścisłych i Technicznych Uniwersytetu Śląskiego przyjrzała się piezoelektrykom. Fizyczka sprawdziła, jak te powszechnie wykorzystywane materiały zachowują się w symulowanych warunkach kosmicznych.

Parcie na elektrony

– Efekt piezoelektryczny zauważyli w 1880 roku bracia Pierre i Jacques Curie. Samo słowo „piezo” pochodzi z języka greckiego i oznacza ciśnienie – wyjaśnia badaczka i dodaje, że można wyróżnić proste i odwrotne zjawisko.

W przypadku efektu prostego nacisk wywierany na materiał piezoelektryczny sprawia, że na jego powierzchni indukują się ładunki elektryczne, np. elektrony. Odwrotny efekt piezoelektryczny obserwujemy wtedy, gdy przykładamy do piezoelektryka pole elektryczne, a ten w odpowiedzi zmienia kształt. Nie wszystkie materiały wykazują podobne właściwości – atomy są w nich ułożone w taki sposób, że komórki elementarne nie mają środka symetrii.

Piezoelektryki znalazły powszechne zastosowanie w wielu urządzeniach codziennego użytku, np. zapalniczkach, samochodowych wtryskiwaczach paliwa czy mikrofonach.

– Znajdujemy je również w głośnikach, gdzie zmienne pole elektryczne powoduje drgania, czyli zmiany kształtu piezoelektryka, a w konsekwencji przekształcenie w dźwięk. Prosty i odwrotny efekt piezoelektryczny występuje również w USG, ponieważ aparatura zawiera jednocześnie emiter i odbiornik fal ultradźwiękowych. Ponadto piezoelektryki są wykorzystywane do precyzyjnego sterowania położeniem elementów zaawansowanej aparatury badawczej, np. AFM (ang. Atomic Force Microscope). Istnieją nawet narty piezoelektryczne, gdzie wytworzona podczas poruszania się po stoku energia elektryczna jest zbierana, a w odpowiednim momencie układ elektroniczny usztywnia tylną część narty, co daje im przyśpieszenie – wymienia dr Iwona Lazar i zaznacza, że to tylko parę przykładów, wcale nie najbardziej zaskakujących.

Zjawisko, o którym mowa, znajduje również zastosowanie przy produkcji energii. Opracowano metody przetwarzania drgań czy nacisku na energię elektryczną za pomocą materiałów piezoelektrycznych. W lipcu 2022 roku w Warszawie zainstalowano podłogę kinetyczną, której użyto podczas koncertu zespołu Coldplay. Skacząca i tańcząca publiczność wytwarzała w ten sposób energię elektryczną. Pozyskany prąd elektryczny wykorzystano do zasilania sprzętu używanego w trakcie trwania koncertu.

Także nasza codzienna komunikacja na odległość byłaby wręcz niemożliwa, gdyby nie elementy zawierające piezoelektryki. Podczas mówienia do mikrofonu głos wywiera ciśnienie i zamieniany jest na sygnał elektryczny (jest to prosty efekt piezoelektryczny). Po dotarciu do odbiorcy następuje zamiana tego sygnału na dźwięk (odwrotny efekt piezoelektryczny) rozpoznawalny w głośnikach. Niedawno opracowano również siłownik piezoelektryczny do realizacji zoomu optycznego w smartfonach.

Dr Iwona Lazar | archiwum prywatne

Kosmiczne laboratorium

Piezoelektryki znalazły także zastosowanie podczas misji pozaziemskich, w badaniach kosmosu. Wiele urządzeń znajdujących się np. w stacjach kosmicznych czy sondach posiada komponenty zbudowane z materiałów piezoelektrycznych. Dr Iwona Lazar wskazuje na ich przydatność i uniwersalność: – Dzięki nim kontrolowanie zmienimy kształt obiektu albo go przesuniemy, sterując z Ziemi poprzez przyłożone napięcie. Nie potrzebujemy do tego celu wysyłać człowieka w kosmos. Możemy wygodnie manipulować wybranymi elementami z naszej planety. Naprawa urządzeń jest bardzo kosztowna i praktycznie wiąże się z wysyłaniem kolejnej załogowej misji kosmicznej. Warunki panujące w przestrzeni kosmicznej wymagają od stosowanych w niej materiałów m.in. stabilności pracy w szerokim zakresie temperatur oraz odporności na warunki próżni.

To dlatego, wyjaśnia fizyczka, tak ważne jest, by zbadać żywotność piezoelektryków w warunkach pozaziemskich i dowiedzieć się, w jaki sposób możemy przedłużyć ich „termin ważności”. Z badań wiadomo bowiem, że w próżni materiały te szybciej się psują.

Temat prac naukowych badaczki z UŚ, prowadzonych w ramach „Swobody badań”, wykrystalizował się podczas współpracy z autorytetem w dziedzinie chemii defektów prof. dr. hab. Krzysztofem Szotem oraz znawcą zjawiska piezoelektrycznego prof. dr. hab. Krystianem Rolederem (obydwaj eksperci również pracują na Wydziale Nauk Ścisłych i Technicznych UŚ). Naukowcy testowali ceramiki piezoelektryczne w różnych warunkach termicznych, pola elektrycznego czy otaczającej atmosfery. Celem było poznanie mechanizmów psucia się materiałów piezoelektrycznych (tzw. elektrodegradacji), poddanych działaniu zasymulowanej próżni kosmicznej. Testy odbywały się w Institute of Energy and Climate Research (IEK) w Niemczech – jednym z największych interdyscyplinarnych centrów badawczych w Europie, do którego udali się fizycy z Uniwersytetu Śląskiego w ramach prowadzonych badań.

– Zauważyliśmy, że warunki panujące w kosmosie przyspieszają ucieczkę tlenu z badanej ceramiki piezoelektrycznej, co jest oznaką psucia się materiału. W odległości ok. 100 km od powierzchni Ziemi panuje ciśnienie około milion razy mniejsze niż na naszej planecie, a zatem ciśnienie parcjalne tlenu jest bliskie zeru. Dla porównania: proces elektrodegradacji z ucieczką tlenu z ceramiki piezoelektrycznej, zachodzący na Ziemi przy dużo większym ciśnieniu parcjalnym tlenu, w zasymulowanych warunkach próżni kosmicznej nastąpił błyskawicznie – tłumaczy dr Iwona Lazar.

Na właściwości piezoelektryków wpływa niekorzystnie również wysoka temperatura, która przyspiesza proces elektrodegradacji ceramiki, a nawet całkowicie niszczy jej działanie. Fizyczka wyjaśnia, że choć w kosmosie jest raczej zimno, to w przypadku urządzeń wystawionych na bezpośrednie działanie promieni słonecznych, czynnik ten może mieć kolosalne znaczenie.

Dr Iwona Lazar podkreśla, że wyniki przeprowadzonych przez nią badań nie służą wyłącznie kosmicznym zastosowaniom i z powodzeniem można je wykorzystać do ulepszania materiałów i sprzętów używanych w ziemskich warunkach.

Ponieważ wkroczyliśmy już w erę komercyjnych lotów kosmicznych (choć wciąż na dość skromną skalę, ograniczoną finansowymi możliwościami większości ludzi) i wielkimi krokami zbliżamy się do załogowych misji na inne ciała niebieskie, powinniśmy myśleć o tym, jak sprawdzi się we wszechświecie nasz sprzęt elektroniczny. Rozważanie, czy nasz smartfon przetrwa wycieczkę poza Ziemię, nie jest bynajmniej abstrakcyjne.