Když má láska jméno cold spray. S Janem Čížkem o týmu se světovými výsledky

„Máte kov? A mohl bych ho vidět?“ ptá se s nadsázkou Jan Čížek z Ústavu fyziky plazmatu AV ČR. Metoda cold spray, které zasvětil život, jde totiž do páru s každým kovem a má nepřeberné možnosti využití v základním výzkumu i průmyslu. Jeho tým ColdSprayPrague se „vlka nebojí“, a tak si, nyní už v nové laboratoři, připisuje prvenství i objevy a sklízí mezinárodní úspěchy. Stále ale hledá i nové spolupráce, které mají šmrnc.

Metoda cold spray se uplatňuje v jaderných ponorkách i vesmírných raketách a pomůže znovu rozeznít i zvon. Téměř neexistuje odvětví, kam by nepronikla. Hodí se nejen na nanášení silných povrchových vrstev na součásti, které jsou zatěžované například mechanickým kontaktem, korozí či vysokými teplotami, ale i pro 3D tisk a opravování poškozených částí strojů.

Cold spray je tak trochu superhrdinou, který před dvěma dekádami okouzlil i Jana Čížka. „Metodu jsem nejprve zařadil do svého výzkumu jen jako ozdobnou perličku, postupně si mě ale uzurpovala celého – a teď už se jí asi doživotně nezbavím,“ říká. Aktuálně se s týmem chystá pracovat například na komponentách pro tokamak – fúzní reaktor, jenž vzniká na jeho domovském pracovišti.

Kde všude najde „jeho“ metoda uplatnění, jaké úspěchy si už s týmem připsali, čím jsou ve světě jedineční a jak vznikala jejich nová laboratoř?

Jan Čížek přivedl výzkum metody cold spray do ČR.

Vzpomenete si ještě na první setkání s metodou cold spray?
Jak to u takových příběhů bývá, na začátku stála náhoda. V roce 2004, když byla metoda celosvětově ještě v plenkách, jsem začínal doktorát na univerzitě v Singapuru. Tehdy si, v laboratoři částečně financované právě mou univerzitou, pořídilo tamní ministerstvo obrany jeden z prvních systémů cold spray na planetě. Coby zvídavý student jsem začal klást všetečné dotazy a neodbytně se motat okolo.

Až vás k systému pustili?
Nakonec podlehli a po bezpečnostní prověrce jsem pro vstup do laboratoře získal povolení. Metodu jsem nejprve zařadil do svého původního výzkumu jen jako ozdobnou perličku, postupně si mě ale uzurpovala celého – a teď už se jí asi doživotně nezbavím. Mohu tak nesměle tvrdit, že na celosvětové úrovni patřím u této metody mezi zasloužilé důchodce, souputníka mi dělá více než dvacet let.

Tehdy jste se rozhodl, že metodu přivedete do Česka?
Když jsem se po osmi letech v Asii vracel, moje zamilovanost mi nedovolila jinak. Veškerou energii jsem vrhl třemi směry: dostat Česko na globální mapu špičkového výzkumu této metody, popularizovat ji, a nakonec ji sem i dostat.

Což se vám podařilo.
S odstupem času někdy se smíchem přemítám, které z těch tří rozhodnutí bylo horší. To poslední, dostat zařízení na naše pracoviště, se mi podařilo teprve koncem loňského roku. Ještě teď nám laboratoř krásně voní novotou. Technologii nám v rámci pětileté spolupráce zapůjčili přátelé z hamburské Univerzity Helmuta Schmidta, což je ve výzkumu metody celosvětově skupina číslo jedna. Máme gentlemanskou dohodu, že po vypršení smlouvy s námi naše kráska zůstane už natrvalo.

Co je tedy metoda cold spray a jak funguje?
Metoda je s námi poměrně krátkou dobu, skromné počátky jejího výzkumu sahají na přelom milénia. Kvůli částečné podobnosti bývá řazena do skupiny takzvaných žárových nástřiků. Ty už několik dekád úspěšně fungují v průmyslové sféře všude, kde je potřeba na fyzicky, tepelně nebo například chemicky namáhané součásti nanést silné ochranné či funkční vrstvy.

Jak se nanášejí?
Vstupní materiál ve formě jemného prášku se nataví intenzivním zdrojem tepla – mluvíme až o třiceti tisících stupních Celsia – a nebohé roztavené částice, teď už malé kapičky, jsou urychleny proudem plynu směrem k součásti. Nárazem se deformují do tvaru, který nejvíce připomíná klasickou domácí palačinku, a zatuhnou. Miliony spojených palačinek tvoří výslednou vrstvu. Jakkoli se ale tento koncept jeví neprůstřelný, metody mají své potíže.

Jaké?
Vycházejí hlavně z té nutnosti tavení. Nanášené materiály totiž ochotně oxidují, mění svá chemická i fázová složení a všelijak jinak, často dost kreativně, degradují. Zkrátka dělají všechno pro to, aby zarmoutily předčasně se radujícího uživatele.

Laboratoř metody cold spray v Ústavu fyziky plazmatu AV ČR

Tímhle metoda cold spray netrpí?
Jako mávnutím kouzelného proutku řeší prakticky všechny uvedené nedostatky. V principu totiž nic netaví – proto jí ve světě říkají cold – a spojení částic prášku dosahuje jejich extrémním urychlením. Některé materiály si poletují rychlostí až 1,2 kilometru za vteřinu, tedy asi čtyřikrát rychleji, než je rychlost zvuku. Extrémní deformace po nárazu následně vykoná své.

Jaké jsou tedy hlavní výhody metody?
Ušitá na míru je kovovým materiálům a slitinám, s nimiž si ty předchozí technologie neumějí poradit. Materiály se chovají mravně a vrstvy jsou významně kvalitnější než jejich vysokoteplotní předchůdci: neoxidují, nemění složení, mají téměř nulovou pórovitost. Jsou také vysoce homogenní, pevnější a mají například až desetinásobně lepší přilnavost. Vrstvy samotné jsou navíc výborně obrobitelné, což je v mnoha odvětvích klíčové.

Ještě něco byste vyzdvihl?
Ztráty drahých vstupních práškových materiálů jsou významně nižší, de facto zanedbatelné. Významně to zlepšuje ekonomiku celého procesu a jde o pádný argument pro přijetí metody u velkosériové výroby například v automobilkách. Jako třešnička na dortu u vrstev vytvořených metodou cold spray vznikají tlaková napětí, což katapultuje odolnost proti únavě materiálu a šíření zákeřných trhlin v součástech na deseti- až stonásobky provozních hodin.

Takže je takový „průmyslový superhrdina“.
Titanik už ze dna nevyzvedne, ale umí toho opravdu hodně. Aby toho nebylo málo, nedávno se zjistilo, že metodě nečiní problémy vrstvy o tloušťkách tak velkých, že se posunula do království aditivní výroby – tedy 3D tisku. I v něm se ukazuje konkurenceschopná a oproti stávajícím metodám, které jsou založené na principu tavení laserem, nabízí mnoho nesporných výhod.

Jakých například?
Třeba rychlost výroby. Umí tisknout rychlostí až osmdesát kilogramů za hodinu, tedy o řád rychleji než její nejlepší soudobé laserové protějšky. Materiál není nijak tepelně ovlivněn a součásti nejsou omezeny velikostí žádné tiskárny. Zatím největší komponenta měřila pět metrů, na příští rok ale plánují Australané všem „vypálit rybník“ něčím ještě větším. Metoda také nevyžaduje ochrannou atmosféru, neprodukuje toxický odpad, problémy jí nečiní reflexivními kovy a umožňuje i tisk směsí kovů s velice rozdílnými teplotami tavení.

Má i další využití?
V posledních asi pěti letech nabírá na obrátkách její až čarovné použití na opravy poškozených zařízení a komponent. Upadla část ozubeného kola kvůli korozi? Odštípl se kousek hřídele turbíny kvůli namáhání? Sežralo část komponenty působení kyselin? Poškozené místo se začistí, doplní a dle potřeby obrobí. Během pár hodin máte opraveno a za minimální náklady ve srovnání s výrobou komponenty nové. Navíc odpadá problém s certifikací, protože jde o stále stejný výrobek.

Metoda cold spray je vhodná pro nanášení kovů a slitin.

Kde všude tedy najde metoda uplatnění?
Tím, že zpracovává kovy, směřuje primárně do strojírenství a průmyslu, například automobilového či leteckého. Místo vyjmenovávání segmentů trhu, kde všude se uplatňuje – v takovém výčtu by zřejmě chyběla jen kategorie „tisk historické beletrie“ – zmíním pro ilustraci její variability několik bonbónků.

Povídejte.
Do vesmíru nedávno letěla raketa Ariane s komponentami vyrobenými metodou cold spray. Minimálně jeden systém pro opravy a tisk nových komponent je na palubě každé jaderné ponorky, aby se nemusely vynořovat. Sklářský průmysl šetří obrovské peníze při renovacích naprašovacích cílů z čisté platiny či zlata. Ve vybraných nemocnicích mají baktericidní cold spray vrstvy na klikách a dalších místech, kterých se často dotýkají pacienti. V kanadské Albertě s ní nedávno provedli první úspěšnou opravu trhlinek v potrubí ropovodu přímo na místě, bez řezání potrubí a nákladné nutnosti na den, dva uzavřít ventily. Na světě jsou už i první bronzové sochy státníků s nohama opravenýma pomocí cold spray.

A nějaký bonbonek z vaší dílny?
Ukázalo se, že by metoda mohla najít využití i při stavbě fúzních reaktorů, u nás konkrétně tokamaku Compass Upgrade – na toto téma aktuálně řešíme projekt Technologické agentury ČR. Do kategorie kulturně-historických aplikací potom spadá dobrodružství, do kterého jsme se pustili s kamarádem Ondrou Kováříkem z katedry materiálů Fakulty jaderné a fyzikálně inženýrské Českého vysokého učení technického v Praze.

Do čeho jste se vrhli?
Jde o opravy zvonů poškozených staletími nárazů jejich srdcí. Ukazuje se, že tudy možná vede cesta, jak těmto klenotům národního dědictví navrátit mladickou sílu nebo je přímo vrátit do aktivního života Jeden ukázkový zvon jsme už dokonce vytiskli celý. Nemá sice padesát tun, ale krásně nám zní v tónu E4 – a my jsme si na něm vyzkoušeli další potenciální cestu.

Vaše dobrodružství ale určitě potřebují i odpovídající zázemí. Jak vznikala vaše laboratoř, kterou jste v dubnu otevřeli?
Ta hračka samotná je poměrně velká a hlučná a nesnesla by se v jedné místnosti například s citlivými analytickými přístroji. V ústavu byla naštěstí k dispozici stará, nevyužívaná laboratoř ve stavu trochu připomínajícím Berlín po návštěvě letectva RAF. Jelikož byl náš rozpočet omezený, plno lidí tady vyhrnulo rukávy, nasadilo montérky a výsledkem je zcela jistě nejkrásnější laboratoř cold spray na světě. Obrovský dík patří kolegovi Honzovi Medřickému, to je takový náš MacGyver.

Čím je laboratoř výjimečná?
Přítomností samotné technologie, hlubokými vědomostmi mých kolegů o materiálech a kvalitním přístrojovým zázemím. Tímto spojením můžeme naše služby nabízet jak pro využití v základním výzkumu, tak i aplikovaném vývoji ve spolupráci s průmyslovými partnery. Velkou výhodu máme i v tom, že náš systém je zařízení určené pro další vývoj – je modulární, a tedy připravené na naše bláznivé modifikace. Svého druhu jedineční jsme i ve světovém měřítku: jsme jediní, kdo metodu provdal s jadernou fúzí. Tady je pole neorané a my máme „pré“.

Vstupními materiály jsou jemné prášky podávané pod vysokým tlakem.

Jakou pozici zaujímá nyní váš výzkum v Ústavu fyziky plazmatu?
V ústavu jsem zpočátku působil trochu jako rušivý element, neboť jsem přidal vedlejší větev do relativně úzkého zaměření našeho oddělení materiálového inženýrství. Postupně jsem ale i díky publikacím, grantům a mezinárodní spolupráci – metoda v Česku nebyla dostupná a vzorky k nám proudily ze všech světových stran – přesvědčil okolí, že jde o životaschopný směr. Po osmi letech mohu směle říct, že je výzkum cold spray jedním z tahounů celé sekce.

Jak vznikl váš tým a kolik lidí v laboratoři pracuje?
Z různých pohledů nedávalo smysl, abychom tým zkoušeli uměle vplétat do ostatních. Kromě laboratoře tedy vznikla i nová, samostatně fungující skupina. Při mém bláznění se mi podařilo zviklat některé z kolegů, kteří byli ochotni do toho se mnou jít. Zároveň jsem začal učit na Fakultě strojní Českého vysokého učení technického v Praze, kde se mi podařilo firmám uzurpovat několik schopných studentů, jež tvoří největší součást naší malé skupiny. Momentálně tak náš ansámbl ColdSprayPrague čítá pět doktorských studentů, jednoho technika a dva mladé postdoktorandy. No a do počtu jsem tam já – někdo musí kazit věkový průměr.

Laboratoř jste otevřeli v dubnu, na čem od té doby pracujete? Spolupracujete i s jinými pracovišti?
V základním výzkumu jsme navázali hezkou spolupráci se zmiňovaným Ondrou Kováříkem, který sestavil světově unikátní zařízení na studium lomově-mechanických vlastností. Jde o na první pohled trochu skryté, ale extrémně důležité charakteristiky materiálů – banán se sice lépe loupe, když do něj nejprve rýpnete nehtem, ale u mostů a letadel už trhliny – mírně řečeno – trochu vadí. Spojením této metodiky s „mým“ cold spray vznikl výzkum, který po světě sbírá významná ocenění a uznání vědecké komunity.

V zahraničí tento výzkum pouze oceňují, nebo už i využívají?
Jedno vedlo k druhému. Metody si venku zkrátka všimli a výsledkem je spolupráce s mnoha renomovanými partnery z USA, Kanady, Austrálie, Japonska a prakticky všemi zeměmi Evropy, které už metoda úspěšně infikovala.

Čím dalším se v základním výzkumu zabýváte?
Snažíme se pochopit fyzikální podstatu a dopady prazvláštních dějů, které najdeme pouze u metody cold spray. Ve spolupráci se skupinou Jakuba Čížka z Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy jsme jako první na světě stanovili a kvantifikovali poruchy v cold spray materiálech na atomární úrovni. Ve spolupráci se skupinou Hanuše Seinera z Ústavu termomechaniky jsme vyvrátili zažitou představu o anizotropii – různých mechanických vlastnostech v různých směrech – cold spray materiálů při nízkém zatěžování. S rakouskou univerzitou v Leobenu rozjíždíme projekt na mikroskopickou charakterizaci rozhraní jednotlivých částic a s londýnskou Brunel univerzitou začínáme zkoumat možnost hojení poruch v cold spray materiálech. A začínáme například i větší výzkum unikátních magnetických vlastností těchto materiálů.

A v aplikovaném výzkumu?
Zabýváme se materiály vždy už s konkrétní vidinou jejich použití. Do portfolia kovů, které nám procházejí laboratoří, tak náleží jak čisté kovy, tak i specializované slitiny. Jmenovat mohu například niklové superslitiny či doposud nejkvalitnější titanové slitiny, na nichž spolupracujeme s německou společností Impact Innovations. Dále se věnujeme také ocelím, hliníkovým a měděným slitinám s vysokou pevností za vysokých teplot, nebo materiálům s tvarovou pamětí na bázi nikl-titan. Pyšní jsme i na světové prvenství při depozici čistého wolframu, tolik žádaného jaderným průmyslem, který byl do té doby považován za nedeponovatelný. Což my jsme ovšem nevěděli (smích).

Vysokotlaký plyn je generován z kapalného dusíku.

Zmínil jste, že pro otevření laboratoře hrála důležitou úlohu i Univerzita Helmuta Schmidta. Jakou?
Dovedu být urputný, takže moje úsilí dostat metodu do ústavu by se nejspíš dřív nebo později realizovalo. To ale mohlo ještě pár let trvat. S podporou partnerské univerzity se vše uspíšilo a nad přátelskou nabídkou převzít jejich hardware a modifikovat si jej pro své účely jsem váhal asi tak dvě vteřiny. Na slavnostní otevření naší laboratoře se pak z Německa přijel podívat kompletní Mannschaft a o bláznivé nápady na další spolupráci nebyla nouze.

Ve spolupráci tedy pokračujete?
Spolupráce existovala už před uzavřením formálního svazku, nyní ale nabrala vyšší obrátky. Za poslední rok jsme se stihli několikrát navštívit, zařídit vzájemné pobyty studentů, vyměnit si vzorky a publikovat některé překvapivé výsledky.

Zmiňoval jste i zapojení studentů.
Obecně se snažíme mladé kolegy zapojovat už od dob jejich školních lavic. Koneckonců taková integrace byla důležitá například i pro sestavení stávajícího týmu. Ideální kombinace je nadšený student, který by chtěl hezkou bakalářku nebo diplomku, umí samostatně pracovat, a zároveň se neštítí ušpinit si ruce. Na kvalitu výsledných prací jsme ale dost nároční – ostatně naši studenti vyhráli za své práce několik cen – a na snadné proplutí to u nás spíš není. Především nám ale v týmu chybějí holky! Nebojte se vědy, materiály jsou fajn obor.

Co máte v plánu nyní?
Z pohledu aplikace metody jsou jednou z těch opravdu velkých výzev dvě velké komponenty do tokamaku, který se buduje v našem ústavu. Tady si – lidově řečeno – sáhneme na dno, na samé hranice možností metody. Ve světě se také například zoufale nedaří připravit slitiny s tvarovou pamětí. Do toho jdeme po hlavě stylem „my se vlka nebojíme“, a přestože už hlásíme první průlomy, stojí před námi ještě pořádná hora problémů. U technologie jako takové je pak naše největší výzva na úrovni dobrovolného „harakiri“. Chtěli bychom totiž zařízení modifikovat, abychom se parametricky posunuli za současný horizont. Přičemž bych ovšem, už kvůli závazkům vůči našim chlebodárcům, byl velmi rád, kdyby zařízení zůstalo alespoň trochu funkční (smích).

Nekladete si zrovna malé cíle.
Tlak těch úloh je už asi vidět i na mém vlasovém porostu. Tou největší výzvou na mých bedrech ale nejspíš bude, dát v Česku vědět, že metoda existuje, že umí opravdu pozoruhodné věci a že zde působí parta nadšenců, která hodně ví a umí a nabízí spolupráci firmám při řešení jejich problémů. U nás je totiž, i přes mou snahu až o evangelickou osvětu, metoda stále víceméně neznámá. Ve světě už se ale úspěšně odstěhovala z laboratoří do praxe a momentálně asi neexistuje odvětví, kam by nepronikla. Takový nástup je nepochybně dán i zmíněným trojím užitím – na povrchové vrstvy, jako 3D tisk a jako metoda na opravy poškozených komponent.

Řídicí centrum metody cold spray

Spolupracujete proto i s Centrem transferu Akademie věd?
Centrum transferu se o našem záměru dostat technologii do republiky dozvědělo záhy po mém příchodu do Ústavu fyziky plazmatu. Aktuálně bychom potřebovali, aby nám pomohlo s komercializací, při vyhledávání partnerů nebo se zapojením do různých výzev. „Pošilháváme“ proto i po Programu rozvoje aplikací a komercializace a řešit chceme i duševní vlastnictví. Na stole je i založení spin-off společnosti.

Plánujete rozšiřovat nabídku služeb?
Řečeno klasikou: „Máte kov? A mohla bych ho vidět?“ U metody cold spray lze říct, že portfolio je nepřeberné a termín „rozšiřovat“ tak nelze úplně uplatnit. Řeknu to jinak: chtěli bychom rozšiřovat užití do sektorů, které jsou zatím nepolíbené. Dlouhodobě by bylo prima, kdyby alespoň rozumný zlomek průmyslové části republiky věděl, že něco jako cold spray existuje, a měl na nás takříkajíc číslo.

Spolupráci tedy meze nekladete.
Začnu hokejovým „tak určitě!“. Ano, prostor máme a rádi zapojením naší metody partnerům pomůžeme. Spolupráci nabízíme průmyslovým společnostem i akademickým institucím, které by mohly zaujmout unikátní vlastnosti cold spray materiálů nedosažitelné žádným jiným procesem. Z letitých zkušeností také víme, že metoda může jak zvýšit konkurenceschopnost pomocí vývoje nových produktů, ať už kvalitnějších či odlišných designem, tak i zprostředkovat podstatné ekonomické úspory.

Jak pro vás vypadá snová spolupráce?
Moc nás neoslovuje sériová výroba padesáti tisíc zátek na sodovky, takovou necháme pracovištím, která po světě metodu nabízejí komerčně. Naopak nás lákají středně- či dlouhodobé vývojové projekty s velkou přidanou hodnotou, kdy můžeme uplatnit naše dlouhodobé znalosti metody a materiálů obecně. Zkrátka projekty, v nichž začínáte s nějakou první čmáranicí na bílém papíře a na konci máte na stole hotovou komponentu, která má šmrnc.

Připravili: Zuzana Dupalová a Luděk Svoboda, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR
Foto: Jana Plavec, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR

 Text a fotografie jsou uvolněny pod svobodnou licencí Creative Commons

Přečtěte si také

• Moc předmětů: Adéla Gjuričová představuje nový program Strategie AV21
• Posílit pozici a podpořit mladé vědce: Jaké jsou priority místopředsedů AV ČR?
• Dana Dvořáčková Malá s týmem zkoumá domácnosti jako centra vývoje civilizací
• Děti v dobrých rukou: Zápis do Dětských skupin AV ČR je otevřen do konce srpna
• Dobré nápady si zaslouží šanci: AV ČR podpořila transfer dalších 13 projektů
• Jak dát smysl otevřené vědě? Zájemci mohou diskutovat na setkání v AV ČR
• Rekonstrukce budovy v Hybernské ulici pokračují podle plánu
• Spolupráce vědeckých týmů s regiony přináší nové poznatky i konkrétní výsledky
• Nabijte se inspirací pro výuku s Akademií věd na letních akcích pro pedagogy
• V rytmu valčíku a s vůní moře: Orchestr FOK zahrál zaměstnancům Akademie věd