Unijny projekt zapoczątkowuje nową analizę materiałów za pośrednictwem fal
„Budowa wewnętrza niektórych materiałów może być bardzo złożona” – wyjaśnia koordynator projektu MUSAL (Multi-scale modelling of waves of porous media with applications to acoustic control and biomechanics), profesor Graham Rogerson z brytyjskiego Uniwersytetu w Keele. „Dobrym przykładem są w tym względzie niejednorodne ośrodki porowate, które zawierają puste przestrzenie. Ludzkie kości stanowią doskonały przykład tego materiału występującego w stanie naturalnym”. Niejednorodne ośrodki porowate są również wytwarzane syntetycznie w odpowiedzi na szczególne potrzeby przemysłu, na przykład jako skuteczna izolacja dźwiękowa. „Materiały niejednorodne zachowują się inaczej niż jednorodne ciała stałe” – kontynuuje Rogerson. „Zrozumienie ich niesamowitych właściwości pozwoliło zaprojektować i stworzyć nowe rozwiązania inżynieryjne. Należą do nich materiały dźwiękochłonne, przetworniki ultradźwiękowe oraz nadajniki dla przemysłu lotniczego i samochodowego”. Unikalny portret Dwuletni projekt MUSAL finansowany z funduszy UE i realizowany od 2015 roku miał na celu ocenę możliwości zastosowania modelowania fal elastycznych w ośrodkach niejednorodnych, a także sprawdzenie, czy metodę tę można rozbudować w celu precyzyjnego i wydajnego prognozowania zachowania i właściwości określonych materiałów. Jedną z głównych zalet takiego rozwiązania jest fakt, iż zgromadzone dzięki falom dane można interpretować i oceniać bez konieczności przeprowadzania badań inwazyjnych. „Modelowanie propagacji fal w ośrodkach niejednorodnych mogłoby przynieść znaczne korzyści przykładowo w takich dziedzinach, jak budowa maszyn czy inżynieria lądowa, ponieważ umożliwia ono testowanie materiałów i konstrukcji w drodze badań nieniszczących” – twierdzi Rogerson. Wzory fal tworzą unikalny „portret” badanego materiału. Im szerszy zakres częstotliwości podczas badania, tym bardziej precyzyjny stworzony w jego przebiegu obraz. Zwiększając wspomniany zakres częstotliwości, zespół projektu MUSAL umożliwił nie tylko wykrywanie niewielkich zmian w mikrostrukturze materiału, lecz także opracowywanie nowych, bardziej dokładnych metod diagnostyki akustycznej. „Do dnia dzisiejszego wiele różnych teoretycznych ujęć propagacji fal w ośrodkach niejednorodnych znalazło zastosowanie jedynie w ograniczonej liczbie przypadków” – zauważa Rogerson. „Opracowaliśmy więc nowe modele teoretyczne, które można wykorzystać w szerszym zakresie częstotliwości”. Zastosowania przemysłowe W ramach projektu przygotowano rozwiązania dla szeregu wyzwań w kontekście konkretnych przykładów. Do grupy potencjalnych użytkowników końcowych zaliczają się inżynierowie, którzy mogą bezpośrednio posługiwać się metodologią projektową w celu projektowania nowych rodzajów materiałów i urządzeń do zróżnicowanych zastosowań w przemyśle, medycynie i geofizyce. Przykładowo, w biomechanice żywe tkanki – takie jak tkanka kostna – można modelować jako ośrodki porowate. Według szacunkowych danych unijnej Agencji Wykonawczej ds. Konsumentów, Zdrowia, Rolnictwa i Żywności (CHAFEA) 22% mieszkańców UE cierpi z powodu problemów z układem mięśniowym i kostno-stawowym, co niesie ze sobą znaczne negatywne skutki ekonomiczne i społeczne. „Wiele osób na całym świecie choruje na osteoporozę – postępującą chorobę układu kostnego, która prowadzi do spadku masy i gęstości kości” – mówi Rogerson. „Ponieważ osteoporoza sama w sobie nie daje żadnych objawów, stoimy przed trudnym wyzwaniem, jakim jest obrazowanie wewnętrznej budowy kości w drodze badań nieinwazyjnych”. Naukowcy uczestniczący w projekcie MUSAL dowiedli związku pomiędzy prędkością fal a gęstością masy kostnej. Osiągnięcie to może zostać wykorzystane do wczesnego wykrywania osteoporozy, umożliwiając spowolnienie lub nawet całkowite zahamowanie postępów choroby dzięki wczesnej interwencji i szybkiemu podjęciu leczenia. „Rezultaty projektu oraz opracowane metody mogą mieć dalekosiężne skutki w kontekście wykrywania i monitorowania wielu przewlekłych chorób kości i stawów” – zauważa Rogerson. Badanie propagacji fal w ośrodkach porowatych może też okazać się ważne dla badań geologicznych. Lepsze zrozumienie wpływu wewnętrznej budowy gleb i skał na właściwości rozchodzących się w nich fal elastycznych pomoże opracować nowe, niezawodne metody wykrywania złóż ropy naftowej i gazu. Również ten scenariusz podkreśla, jak bardzo dalekosiężne mogą być skutki pionierskich badań przeprowadzonych przez zespół inicjatywy MUSAL.
Słowa kluczowe
MUSAL, fala, modelowanie, porowaty, materiał, kość, osteoporoza, materiał glebowo-skalny, geologia, przemysł
