Sikrere biler og bygg starter på nano-nivå

I framtida kan bilindustrien spare tid og penger. Testkrasjene kan langt på vei gjøres i virtuelle laboratorier. Derfor utdanner CASA ved NTNU folk med stadig mer kunnskap om hvordan for eksempel aluminum oppfører seg i sammenstøt. Illfoto: NTB scanpix
I framtida kan bilindustrien spare tid og penger. Testkrasjene kan langt på vei gjøres i virtuelle laboratorier. Derfor utdanner CASA ved NTNU folk med stadig mer kunnskap om hvordan for eksempel aluminum oppfører seg i sammenstøt. Illfoto: NTB scanpix

Når ulykken er ute, kan materialene i bilen, båten eller bygget du befinner deg i bety forskjellen på liv og død. Skal vi oppnå best mulig beskyttelse, må vi vite mest mulig om hvordan for eksempel aluminium oppfører seg.

Se for deg byggesteiner som er så små at flere milliarder av dem får plass i en bit aluminium på størrelse med en sukkerbit.

Tenk deg så at du skal modellere hvordan de oppfører seg når de utsettes for krasj, støt eller andre ytre påkjenninger. Her, i dette universet av atomer- og partikler, jobber forskerne Emil Christiansen og Bjørn Håkon Frodal i SFI CASA med å forstå hvordan aluminium oppfører seg under ekstreme belastninger.

Dette er faktisk livreddende forskning.

Forskning for bedre materialer

– Vi prøver å forstå hvordan de minste byggesteinene oppfører seg når vi bøyer, strekker og deformerer materialet. Rett og slett fordi denne kunnskapen vil gi oss byggematerialer av høyere kvalitet, sier Emil Christiansen.

(Saken fortsetter under)

Emil Christiansen er opptatt av aluminiumskrasj på nanonivå. I arbeidet har han blant annet benyttet NTNUs transmisjonselektronmikroskop. Foto: Sølvi W. Normannsen
Emil Christiansen er opptatt av aluminiumskrasj på nanonivå. I arbeidet har han blant annet benyttet NTNUs transmisjonselektronmikroskop. Foto: Sølvi W. Normannsen

Bjørn Håkon Frodal slår fast:

– Å forstå fysikken på mikronivå inne i metalliske materialer er helt grunnleggende.

Forskerne gir tre eksempler på industri som trenger denne kunnskapen – og hvorfor:

For at aluminiumprodusentene skal kunne utvikle, fornye og forbedre legeringene sine, må de vite mest mulig om hva som påvirker egenskapene til materialene de lager.

Bilindustrien har som mål drastisk å kutte ned på fysisk krasjtesting av biler. Da trenger den datamodeller som i stedet kan simulere oppførselen til materialene.

Energi- og byggeindustri trenger kunnskap om oppførselen og tåleevnen til materialene de bruker, for å stå best mulig rustet mot uhell og ødeleggelser.

Les også: Flytende solcelleøyer lager drivstoff av CO 2

Styrker CASAs virtuelle laboratorium

Frodal og Christiansen er først ute i rekken av i alt 6 stipendiater som forsvarer avhandlingene sine ved CASA i høst. CASA er et Senter for forskningsdrevet innovasjon (SFI) ved Institutt for konstruksjonsteknikk på NTNU. Senterets vertskap er forskningsgruppen SIMLab. Dette miljøet er verdensledende på kunnskap om hvordan materialer og konstruksjoner oppfører seg under ekstrem belastning.

Et stort satsingsområde for CASA er et virtuelt laboratorium (VL) for design av konstruksjoner i aluminium. Målet er at dette skal bidra til å redusere, eller aller helst overflødiggjøre for eksempel fysiske krasjtester av biler.

Med andre ord: Prøvekrasj på PC kan spare industrien for enormt med tid og penger. Samtidig ligger det en stor miljøgevinst i virtuell testing.

Les også: Sprenger seg til en tryggere hverdag

Fasiten befinner seg på nano-nivå

Al-Mg-SI-utfellinger i aluminium. Utfellingene er nålelignende og strekker seg i tre vinkelrette ret ninger. I det innfelte bildet er enkeltatomene synlige.
Al-Mg-SI-utfellinger i aluminium. Utfellingene er nålelignende og strekker seg i tre vinkelrette ret ninger. I det innfelte bildet er enkeltatomene synlige.

Hvis du ser for deg VL som en kjede av modeller med fire hovedverktøy, er Emil Christiansens arbeid et bidrag på det absolutte startpunktet. Her snakker vi om atomer og ørsmå byggesteiner ned på størrelser med en tusendels hårsbredd.

Christiansen mener fasiten ligger på nano-nivå.

– Du må gå helt dit ned for å se hva som virkelig skjer i materialene. Det er som å ta en avsjekk på mye av den teoretiske forskningen som finnes, mener han.

Forskeren har jobbet på et av verdens mest sofistikerte elektronmikroskoper for å se hva som beveger seg i materialene på atomnivå: Det store transmisjonselektronmikroskopet (TEM) på NTNU.

Les også: Plasten som gjøre biler bedre

Nabokrangel mellom atomer

Her kan han zoome inn i aluminium-universet befolket av ulike atomer. De er så små at det ikke er til å begripe, men de har en oppførsel vi kan kjenne igjen.

Ta for eksempel magnesium eller silisium. Hvert atom har sin egen sfære omgitt av et visst antall atomer, lagt ut i sirlig struktur og orden inntil hverandre.

Når materialet blir utsatt for belastning eller trykk, skyves atomene over i hverandres intim-sfærer. Det er som å bli invadert av plagsomme naboer fra alle kanter. Det oppstår gnisninger, og på et gitt tidspunkt får atomene nok og rømmer så å si unna. I det øyeblikket de gir etter, beveger seg bort eller forskyver seg, oppstår det en feil eller ustabilitet i materialet.

– Bruken av aluminium har en lang historie, og vi vet mye om dette metallet. Samtidig, når vi studerer tidligere forskning, finner vi både selvmotsigende og upresist arbeid. Vi må kanskje rydde opp og røske litt i gammel kunnskap. Det er først nå vi kan se hva som skjer inne i metallene, sier Christiansen.

Les også: Sjokkrør sikrer regjeringskvartalet

Som armeringsjern i betong

Bjørn Håkon Frodal jobber litt lenger opp i VL-kjeden, på korn-nivå, med det som på fagspråket kalles krystallplastisitetsmodellering.

– Jo dypere vi går ned i målestokk, jo mer informasjon får vi. Min hovedinteresse er krystaller og primærpartikler. Det er på dette nivået skade og brudd oppstår, sier Frodal.

(Saken fortsetter under)

Bjørn Håkon Frodal har forsket på hva som skjer i bruddprosessen til aluminiumslegeringer. Spesielt materialenes formbarhet og evne til å deformeres uten at det oppstår brudd. Foto: Sølvi W. Normannsen
Bjørn Håkon Frodal har forsket på hva som skjer i bruddprosessen til aluminiumslegeringer. Spesielt materialenes formbarhet og evne til å deformeres uten at det oppstår brudd. Foto: Sølvi W. Normannsen

Aluminium er et sølvhvitt og lett materiale. I ren form er det så mykt at det lett kan bøyes med håndmakt. Metallet har en korn-struktur, og inne i kornene er det stabler med ekstremt velorganiserte atomer i gitterformer. Hvert korn måler 50-100 mikrometer (0,05-0,1 mm).

For å øke styrken på materialet tilsettes ørsmå mengder magnesium og silisium. Disse stoffene danner utfellinger, partikler formet som nåler eller skiver, og fungerer på samme måte som armeringsjern i betong.

Les også: Dette må du vite om fangst og lagring av CO2

Biler og sårbare menneskekropper

Bjørn Håkon Frodal har bidratt til å utvikle en modell for det som kalles krystallplastisitet. Modellen gjør det mulig å forutsi hva som skjer i hvert av de bittesmå kornene når materialet utsettes for krasj, støt eller annen ekstrem belastning. Han har gjort omtrent 200 eksperimenter på 3 forskjellige ekstruderte aluminiumslegeringer. Disse er igjen varmebehandlet på 3 ulike måter.

Testene kan sammenlignes med voldsom tortur. Materialene utsettes for ekstremt press, før de blir strukket ut til de går i brudd.

Hvorfor?

For i den virkelige verden er det dette som for eksempel skjer når en bil kolliderer.

(Saken fortsetter under)

Krasjbokser etter sammenstøt. Foto: SFI CASA
Krasjbokser etter sammenstøt. Foto: SFI CASA

Hva styrer utviklingen av skade og feil?

Forestill deg krasjboksen, som ligger bak støtfangeren i bilen din. Den er laget av aluminium og har én oppgave: Å ta opp energi for å beskytte din ytterst sårbare menneskekropp.

Under krasj vil materialet først komprimeres og foldes sammen. Under foldingen vil deler av materialet strekkes og det kan oppstå skade og brudd.

Frodal sin forskning er et betydelig skritt fremover når det gjelder å forstå og beskrive den duktile bruddprosessen til aluminiumslegeringer. Duktilitet sier noe om materialenes formbarhet og evne til å deformeres uten at det oppstår brudd.

Siden de inneholder jern og silisium, er primærpartiklene harde. Når materialet deformeres, sprekker de og danner hulrom. Når belastningen øker, vokser hulrommene sammen med andre hulrom. Når dette skjer, sprekker materialet.

Frodal drives av spørsmålet om hvordan ulike belastninger styrer utviklingen av skade og feil.

(Saken fortsetter under)

Aluminiumsprofil utsatt for krasj. Materialet foldes og strekkes, og skade har oppstått. Foto:SFI CASA
Aluminiumsprofil utsatt for krasj. Materialet foldes og strekkes, og skade har oppstått. Foto:SFI CASA

Styrker koblingen

Både i Bjørn Håkon Frodal og Emil Christiansens doktorgradsavhandlinger inngår én artikkel de har skrevet sammen. Arbeidet deres styrker det virtuelle laboratoriet som et verktøy for design av biler og beskyttelsesstrukturer.

Den nye kunnskapen gjør CASA-forskerne i stand til å utføre mer robuste, raskere og mer varierte simuleringer. Dermed tas et betydelig skritt mot SIMLab sitt langsiktige mål:
At det virtuelle laboratoriet kan minimere, eller til og med gjøre fysisk testing overflødig, og dermed bidra til bedre miljø, sikrere biler, bygg og andre konstruksjoner.

Saken er først publisert på Gemini.no - forskningsmagasinet til NTNU og SINTEF

Mer fra ABC Nyheter
Siste fra forsiden
14:36 Labour legger fram detaljert valgprogram14:35 Johaug om Østberg: – Viktigst at hun har det bra14:33 16 personer funnet innestengt i lastebil på Stena Line-ferge14:10 Nav unnlot å orientere Riksadvokaten13:53 Politiet inviterer: Er dette Norges verste overnattingssted?13:31 UD fraråder reiser til Bolivia13:21 Medier: Milan har tilbudt Zlatan kontrakt13:15 Fire tenåringer tiltalt for ran av 16-åring på lokaltog12:51 Helseproblemer stopper Ingvild Flugstad Østberg12:50 Kringkastingssjefen: – Et av de mest vellykkede satireinnslagene vi har hatt12:28 Nav venter fortsatt lav ledighet12:27 Ulsruds curlinglag slått ut av EM med knapp margin12:01 Farlig, dansk gjengleder på flukt: Pleier fikk pistol mot nakken11:42 Forskere har påvist hudkreftgener11:15 – Som et kaldt gufs fra DDR- og Sovjettiden10:53 – Ingen er bedre for United enn Solskjær10:41 Ving overtar tolv hoteller i Spania10:00 Knivstikking på arbeidsplass i Oslo09:45 Ber om hjelp til å stanse påstått pyramidesystem09:43 Sønn av dansk IS-medlem hentes hjem til Danmark09:43 Kina varsler at de vil gjengjelde Kongressvedtak om Hongkong09:42 Eldre kvinne kritisk skadd i busskjørsel08:45 Dyretragedien i Australia – her reddes Lewis ut av flammehavet08:37 Hitlers flosshatt solgt for over 500.000 kroner07:53 Widerøe mener MDGs politikk truer kortbanenettet07:42 Australias statsminister avviser sammenheng mellom klimaendring og skogbranner07:33 Siv Jensen ber Trygve Slagsvold Vedum bytte side07:05 Blytung beskjed til skiskyttersporten: Kan bety dødsstøtet06:39 Thingnes Bø om sin kalkulerte «gambling»: – Det skal absolutt være mulig06:36 Elverum vil runde 35.000 tilskuere i mesterligaen06:03 Riksrett åpningstema i debatt mellom presidentkandidater06:00 Sveriges Riksbank tar klimagrep – vil kvitte seg med «brune» obligasjoner05:50 Dette skjer i dag05:45 En av seks i Bergen kommune lot seg lure av falsk epost05:30 Dette skjedde i natt05:30 – Regjeringen er besatt av monsterveier som vi ikke trenger05:16 18 jihadister drept i Burkina Faso05:00 VG: Staten har gitt norske kommuner bøter for 1,4 milliarder kroner04:45 Medisiner billigere i Norge enn i mange andre land03:53 Northugs manager slutter etter ni måneder03:38 Bellona-grunnlegger skal lede kamp mot vindmøller03:02 Kongressen vedtok lovforslag om menneskerettigheter i Hongkong03:00 Flere døde i eksplosjon i fyrverkerifabrikk på Sicilia02:59 Ap vil fjerne ostehøvelen i offentlig sektor02:46 Studie: En tredel av Afrikas flora truet av utryddelse02:01 KS mener endring i avgift tvinger busser over på fossilt drivstoff01:45 Kraftig jordskjelv i Thailand og Laos01:01 Fylkesmannen vil ha ny utredning av Vardafjell23:58 Bolivias midlertidige president vil skrive ut nyvalg23:44 Greta Thunberg får internasjonal fredspris for barn23:40 Babcock fikk sparken i Toronto Maple Leafs23:30 Politidirektøren ga ordre om å stanse koranbrenning dagen før koranbrenningen i Kristiansand23:25 Donald Tusk sier han vil kjempe mot populisme som EPPs nye leder23:11 Curling-EM: Viktig seier for Ulsruds lag22:59 Avsatte Moreno: – Jeg nekter å klandre noen22:23 Mann dømt til å betale 3,6 millioner kroner i erstatning etter overgrep22:16 Kvinne knivstukket i Drammen – mann siktet for drapsforsøk21:38 Politiet avslutter etterforskning av hatkriminalitet mot lesbisk par i Sandnes21:19 Solberg ba kollegene skjerpe seg21:02 Person døde etter utforkjøring20:38 Dale demper troen på elfly i Norge20:37 UEFA-disiplinærsak mot Norges Fotballforbund, Romania i trøbbel igjen for rasisme20:33 Utenriksminister Pompeo er «utrolig stolt» av USAs Ukraina-politikk20:21 Tysk NATO-forslag godt mottatt på ministermøte19:40 Krisemåling for KrF19:16 NAV-sjefen slår tilbake etter Hauglies sjokkbrev19:08 Prins Andrew frasier seg alle offentlige oppdrag18:31 Snop og brus til veldedighet slipper avgifter18:29 Trump insisterer på at han ikke presset Ukraina18:04 100 elever har blitt syke på skole i Oslo17:50 – Det ser ut som Nato gir Tyrkia en slags ryggdekning til å fortsette krigen17:40 Strengere straff for mann som voldtok kvinne med barnevogn17:22 Reaksjoner etter at UEFA bekreftet seedingen til EM-trekningen: – En skandale!17:21 Ocean Viking har reddet 30 i Middelhavet16:50 Dømte Nav-ofre kan måtte vente lenge på erstatning16:34 Tore Sagen om rasist-sketsjen: – Jeg angrer ikke16:26 Vil evaluere systemet for innføring av nye legemidler16:20 Fire rumenske VM-spillere må bli hjemme etter dopingmistanke16:15 Person til sykehus etter knivstikking i Drammen16:02 Boktilbudene strømmer på til Frode Berg15:49 Person omkom i balkongbrann15:49 Sterke reaksjoner på Tottenhams Mourinho-ansettelse: – Usympatisk og dårlig nytt for klubben15:44 Dramatisk vitnemål mot Trump15:25 Banktrøbbel rammet 150.000 pensjonister15:22 Årelang krangel om Hitlers barndomshjem avgjort15:16 E18-advarsel: – Prosjektet er en skandale14:53 Industrigigant vil kutte tusenvis av arbeidsplasser14:28 Kowalczyk gjør comeback14:26 Flere får dø hjemme i stedet for på sykehus13:58 Politisk hengemyr i Israel13:57 Solskjær får trio tilbake fra skade13:56 Ødegaard tilbake i full trening13:37 Ap etterlyser Frps tiltak mot gjengkriminalitet13:13 To ulver skutt fra helikopter i Rendalen12:57 Hellas har fått nok: Sender asyl-advarsel til resten av Europa12:27 Eieren av Morris-kjeden har søkt om konkursbeskyttelse12:26 Tottenham-stjernene takker Pochettino12:15 Mer gråvær i vente – og til uka blir det enda verre12:11 På vei mot et todelt helsesystem12:06 Stjernen og Hilde blir TV 2s hoppeksperter
Siste nytt
14:36PolitikkLabour legger fram detaljert valgprogram14:35SportJohaug om Østberg: – Viktigst at hun har det bra14:33Verden16 personer funnet innestengt i lastebil på Stena Line-ferge14:10NorgeNav unnlot å orientere Riksadvokaten13:53NorgePolitiet inviterer: Er dette Norges verste overnattingssted?13:31ReiseUD fraråder reiser til Bolivia13:21SportMedier: Milan har tilbudt Zlatan kontrakt13:15NorgeFire tenåringer tiltalt for ran av 16-åring på lokaltog12:51SportHelseproblemer stopper Ingvild Flugstad Østberg12:50KulturKringkastingssjefen: – Et av de mest vellykkede satireinnslagene vi har hatt12:28NorgeNav venter fortsatt lav ledighet12:27SportUlsruds curlinglag slått ut av EM med knapp margin12:01VerdenFarlig, dansk gjengleder på flukt: Pleier fikk pistol mot nakken11:42Helse og livsstilForskere har påvist hudkreftgener11:15Penger– Som et kaldt gufs fra DDR- og Sovjettiden10:53Sport– Ingen er bedre for United enn Solskjær10:41ReiseVing overtar tolv hoteller i Spania10:00NorgeKnivstikking på arbeidsplass i Oslo09:45NorgeBer om hjelp til å stanse påstått pyramidesystem09:43VerdenSønn av dansk IS-medlem hentes hjem til Danmark09:43VerdenKina varsler at de vil gjengjelde Kongressvedtak om Hongkong09:42NorgeEldre kvinne kritisk skadd i busskjørsel08:45VerdenDyretragedien i Australia – her reddes Lewis ut av flammehavet08:37VerdenHitlers flosshatt solgt for over 500.000 kroner07:53NorgeWiderøe mener MDGs politikk truer kortbanenettet07:42VerdenAustralias statsminister avviser sammenheng mellom klimaendring og skogbranner07:33PolitikkSiv Jensen ber Trygve Slagsvold Vedum bytte side07:05Helse og livsstilBlytung beskjed til skiskyttersporten: Kan bety dødsstøtet06:39SportThingnes Bø om sin kalkulerte «gambling»: – Det skal absolutt være mulig06:36SportElverum vil runde 35.000 tilskuere i mesterligaen06:03PolitikkRiksrett åpningstema i debatt mellom presidentkandidater06:00PengerSveriges Riksbank tar klimagrep – vil kvitte seg med «brune» obligasjoner05:50NorgeDette skjer i dag05:45NorgeEn av seks i Bergen kommune lot seg lure av falsk epost05:30NorgeDette skjedde i natt05:30Motor– Regjeringen er besatt av monsterveier som vi ikke trenger05:16Verden18 jihadister drept i Burkina Faso05:00NorgeVG: Staten har gitt norske kommuner bøter for 1,4 milliarder kroner04:45Helse og livsstilMedisiner billigere i Norge enn i mange andre land03:53SportNorthugs manager slutter etter ni måneder03:38NorgeBellona-grunnlegger skal lede kamp mot vindmøller03:02VerdenKongressen vedtok lovforslag om menneskerettigheter i Hongkong03:00VerdenFlere døde i eksplosjon i fyrverkerifabrikk på Sicilia02:59PolitikkAp vil fjerne ostehøvelen i offentlig sektor02:46VerdenStudie: En tredel av Afrikas flora truet av utryddelse02:01NorgeKS mener endring i avgift tvinger busser over på fossilt drivstoff01:45VerdenKraftig jordskjelv i Thailand og Laos01:01NorgeFylkesmannen vil ha ny utredning av Vardafjell23:58PolitikkBolivias midlertidige president vil skrive ut nyvalg23:44VerdenGreta Thunberg får internasjonal fredspris for barn23:40SportBabcock fikk sparken i Toronto Maple Leafs23:30NorgePolitidirektøren ga ordre om å stanse koranbrenning dagen før koranbrenningen i Kristiansand23:25VerdenDonald Tusk sier han vil kjempe mot populisme som EPPs nye leder23:11SportCurling-EM: Viktig seier for Ulsruds lag22:59SportAvsatte Moreno: – Jeg nekter å klandre noen22:23NorgeMann dømt til å betale 3,6 millioner kroner i erstatning etter overgrep22:16NorgeKvinne knivstukket i Drammen – mann siktet for drapsforsøk21:38NorgePolitiet avslutter etterforskning av hatkriminalitet mot lesbisk par i Sandnes21:19PolitikkSolberg ba kollegene skjerpe seg21:02NorgePerson døde etter utforkjøring20:38NorgeDale demper troen på elfly i Norge20:37SportUEFA-disiplinærsak mot Norges Fotballforbund, Romania i trøbbel igjen for rasisme20:33VerdenUtenriksminister Pompeo er «utrolig stolt» av USAs Ukraina-politikk20:21VerdenTysk NATO-forslag godt mottatt på ministermøte19:40NorgeKrisemåling for KrF19:16PengerNAV-sjefen slår tilbake etter Hauglies sjokkbrev19:08VerdenPrins Andrew frasier seg alle offentlige oppdrag18:31PengerSnop og brus til veldedighet slipper avgifter18:29VerdenTrump insisterer på at han ikke presset Ukraina18:04Norge100 elever har blitt syke på skole i Oslo17:50Politikk– Det ser ut som Nato gir Tyrkia en slags ryggdekning til å fortsette krigen17:40NorgeStrengere straff for mann som voldtok kvinne med barnevogn17:22SportReaksjoner etter at UEFA bekreftet seedingen til EM-trekningen: – En skandale!17:21NorgeOcean Viking har reddet 30 i Middelhavet16:50PengerDømte Nav-ofre kan måtte vente lenge på erstatning16:34KulturTore Sagen om rasist-sketsjen: – Jeg angrer ikke16:26Helse og livsstilVil evaluere systemet for innføring av nye legemidler16:20SportFire rumenske VM-spillere må bli hjemme etter dopingmistanke16:15NorgePerson til sykehus etter knivstikking i Drammen16:02NorgeBoktilbudene strømmer på til Frode Berg15:49NorgePerson omkom i balkongbrann15:49SportSterke reaksjoner på Tottenhams Mourinho-ansettelse: – Usympatisk og dårlig nytt for klubben15:44PolitikkDramatisk vitnemål mot Trump15:25PengerBanktrøbbel rammet 150.000 pensjonister15:22VerdenÅrelang krangel om Hitlers barndomshjem avgjort15:16MotorE18-advarsel: – Prosjektet er en skandale14:53PengerIndustrigigant vil kutte tusenvis av arbeidsplasser14:28SportKowalczyk gjør comeback14:26Helse og livsstilFlere får dø hjemme i stedet for på sykehus13:58PolitikkPolitisk hengemyr i Israel13:57SportSolskjær får trio tilbake fra skade13:56SportØdegaard tilbake i full trening13:37PolitikkAp etterlyser Frps tiltak mot gjengkriminalitet13:13NorgeTo ulver skutt fra helikopter i Rendalen12:57VerdenHellas har fått nok: Sender asyl-advarsel til resten av Europa12:27PengerEieren av Morris-kjeden har søkt om konkursbeskyttelse12:26SportTottenham-stjernene takker Pochettino12:15NorgeMer gråvær i vente – og til uka blir det enda verre12:11StemmerPå vei mot et todelt helsesystem12:06SportStjernen og Hilde blir TV 2s hoppeksperter
Populært