Snedige materialer

Landets mest forseggjorte reiseantrekk kjøler kroppen i varme helikopterkabiner, men blir til en isolerende varmedress om brukeren havner i sjøen.

Vi befinner oss i et av SINTEFs laboratoriebasseng. Demonstrasjonen av helikoptertransportdrakten tar kun få minutter. Så kravler forsøkspersonen opp av bassenget og skifter om.

Under vitenskapelige forsøk er det helt andre regler som gjelder: Seks timer uten mat og drikke, i horisontalt leie i 2 grader kaldt vann med vindmaskin som blåser kuling rett i fleisen. Det må til for å skape noenlunde realistiske forhold.

Endrer fase

Drakten skal nemlig gi nordsjøarbeidere sjanse til å overleve dersom de ved en ulykke skulle havne i de frådende bølgene. Det er SINTEF og Helly Hansen som i samarbeid har utviklet den – skreddersydd for offshorearbeidernes behov. I tillegg til å være redningsdrakt og beskytte mot iskald sjø, skal drakten være behagelig å ha på under helikoptertransporten til og fra plattform.

– Fra produsenthold ble det hevdet at det var umulig å innfri kravet til kjøling og varmeisolasjon i en og samme dress. Men vi benyttet et materiale som kan endre fase, og brukte kunnskapen om hvordan kulde og varme påvirker menneskekroppen.

Dermed kunne vi utvikle en drakt som spiller på lag med kroppens egne reaksjoner på nedkjøling og oppvarming, sier Randi Reinertsen. Hun er forskningssjef i arbeidsfysiologi ved SINTEF og ledet arbeidsgruppa som utviklet redningsdrakten.

Innvevde kapsler

At den nyutviklede norske dressen klarer oppgaven med både nedkjøling og varmeisolering, skyldes at tekstilet har små innvevde kapsler. Kapslene består av mikroskopiske partikler med en spesialutviklet parafinvoks. Hvis brukernes hudtemperatur overstiger 28 grader celsius, går voksen over fra å være fast til å bli flytende.

– Til smeltingen trengs det varme, som parafinvoksen henter fra kroppen. Dermed kjøles brukerne i helikopterkabinen på varme dager. Havner de derimot i sjøen endrer parafinvoksen fase og stivner. Da avgir drakten den magasinerte varmen tilbake til kroppen, forklarer Randi Reinertsen.

En parallell fra hverdagslivet er et glass vann med isbiter. Så lenge isen ikke har smeltet, holder vannet isens smeltetemperatur – det vil si null grader. Først når all isen er tint, begynner temperaturen å stige.

Resultatene viser at materialet holder personen tilfredsstillende varm og komfortabel inntil seks timer i sjøen under vanskelige forhold, sier forskningssjefen. Det kan utgjøre forskjellen mellom liv og død.

Utnytter egenskapene

Materialer har alltid hatt stor betydning for oss mennesker. Tidligere hadde materialer kun bærefunksjon. Tre, stål og jern ble hovedsakelig brukt i bygge- og konstruksjonssammenheng. I dag er materialer av et annet kaliber. De er tillagt spesielle egenskaper, i hovedsak elektriske, optiske, magnetiske og kjemiske.

I stedet for å benytte dem til konstruksjonsformål utstyrer vi dem med egenskaper som gir økt styrke, bedre sikring mot rust, avvisning av graffiti eller evne til å magasinere og avgi varme. De moderne og funksjonelle materialene kan ha form som membraner, katalysatorer, tynne filmer, halvledere og sensorer.

Det handler om å utnytte, justere eller tillegge materialene nye egenskaper. I dag har vi kunnskap til å utvikle materialer på en intelligent måte, med et minimum av prøving og feiling, sier forskningssjef Jostein Mårdalen i SINTEF.

Smart materiale

Mulighetene blir mange med de smarte materialene. På Avdeling for arbeidsfysiologi på SINTEF er Tore Christian B. Storholmen i full aktivitet. Han er designeren bak hjelmkonseptet ProActive og har nylig mottatt pris for dette fra Norsk Designråd. Han viser fram den hvite hjelmen og forklarer hva som er så smart med den.

Den delen av hjelmen som hviler mot hodet, er kledd med et materiale som heter d3o. Det er bygd opp av intelligente molekyler. Disse flyter fritt så lenge de ikke utsettes for press, men i det øyeblikket de får et slag eller støt, samler de seg i grupper.

Det gjør at de går fra sin myke og fleksible normaltilstand til momentant å låse seg i en fast og støtdempende tilstand, sier Storholmen og tilføyer: Når sjokket etter støtet avtar, løser molekylene seg opp og blir fleksible igjen. D3o blir ikke hardt når det utsettes for slag, men effekten kan sammenlignes med et nett som absorberer og fordeler kraften.

Hjelmen er formet som en «caps». Deler av hjelmprototypen er gjennomsiktig slik at man kan se rett inn på materialet d3o. Egenskapene til d3o gjør at det passer perfekt til å beskytte kroppen, og kan ha nytte for både idrettsutøvere og arbeidsfolk som jobber under utsatte forhold.

Jeg har en bror i bygg- og anleggsbransjen, og ble obs på at mange opplever vernehjelmene som ubehagelige å gå med. Jeg ville lage en hjelm som både var god å ha på og som ga nødvendig beskyttelse, sier Storholmen.

Det intelligente materialet d3o brukes også som knebeskyttelse på barnedresser, i snowboardluer, som leggbeskyttere for fotballspillere og beskyttelsesutstyr for motorsyklister.

Fikse funksjoner

Vi blir stadig bedre til å utnytte materielle egenskaper fordi vår grunnleggende forståelse for materialegenskaper øker. Samtidig får vi stadig mer avanserte analyseverktøy for å undersøke materialene ned på nanonivå. Det viktigste bidraget er kanskje at vi nå også kan designe materialer ned på nanometerskala, sier Jostein Mårdalen.

Kjemikere og fysikere har i en god del år undersøkt materialer på nanonivå, men har ikke kunnet bygge med tilstrekkelig presisjon på submikronivå. Nå har forskerne kommet så langt at de er i stand til å konstruere og manipulere på atomnivå med tilstrekkelig presisjon. Det er en av hovedårsakene til at nanoteknologien nå skyter fart.

– Kunnskapen gir oss mulighet til å skreddersy materialer og overflater slik at de får de egenskapene vi ønsker, sier Mårdalen.

Bedrer emballasje

Forskere i SINTEF benytter for ekempel nanoteknologi til å gjøre materialene i matvareemballasje bedre. Kontakt med oksygen er en av hovedfaktorene til forringelse av kvalitet på mat. Matvareprodusentene er derfor avhengige av emballasje som har god evne til å stenge ute oksygen. I tillegg er gjenvinningsperspektivet viktig.

Dagens matvareemballasje har barriereløsninger med opp til ni lag med polymerer. Dette er kostbart, komplekst og dyrt. Vi jobber med å redusere antall sjikt ved å blande nanopartikler inn i plasten. I tillegg jobber vi med løsninger hvor vi kombinerer barriere med økt grad av materialgjenbruk. I dag består de forskjellige lagene på emballasjen av så forskjellige polymerer at de ikke kan materialgjenvinnes, sier forskningsleder Bjørn Steinar Tanem.

Den nye emballasjen tar sikte på å bli både bedre, rimeligere og mer miljøvennlig enn dagens matemballasje. Forskningen er nå kommet i verifiseringsfasen. Lykkes det, står fabrikkforsøk for tur.

Holder på varmen

Kan en lakk virkelig holde på varme? Svaret er ja. I prosjektet Heat Reflective Coatings har SINTEF, sammen med Hydro aluminium og DuPont Powder Coatings, skapt en pulverlakk som reduserer varmetap. Lakken påføres aluminiumsrammer for dører og vinduer.

Jostein Mårdalen henter opp noen skisser fra prosjektet på dataskjermen sin mens han snakker ivrig.

Lakken gjør at varmetapet gjennom vindusrammer reduseres med mellom 20 og 23 prosent. Det er uvanlig å tenke isolasjon på denne måten, men effekten er stor. Hemmeligheten bak denne oppfinnelsen er å benytte nanoteknologi i en etablert industriprosess – pulverlakkering.

Lakkens egenskaper kan også benyttes til motsatt formål: å holde varme ute.

Det kan for eksempel være svært aktuelt for å hindre at en bil blir overopphetet på varme sommerdager.

For å oppnå disse egenskapene har forskerne laget en lakk som har lav varmestråling og stor evne til å reflektere varme. Belegget er allerede kommersialisert og brukes av produsenter av aluminiumsrammer. Lakken er miljøvennlig, nærmest uten løsemidler, og kan med tiden også brukes for å isolere andre ting enn vinduer.

Energimessig er dette veldig interessant. Det handler om å tenke helt nytt om isolasjon. Vi ser for oss at det er aktuelt å påføre lakken på ulike typer bygningsprodukter for å redusere varmetap eller redusere soloppvarming. Produktet er svært anvendelig, sier Mårdalen.

Fanger lyset

Noen av Mårdalens kolleger i SINTEF jobber med et annet belegg, eller tynnfilm, som har en fiks funksjon: Den skal øke virkningsgraden til solceller.

Dagens solceller fanger opp ca 15 prosent av sollyset. Grunnen til at de ikke absorberer mer, er at det kun er det synlige sollyset som fanges opp. Den vanlige måten å tenke på er at solceller skal tilpasse seg lyset. Vi har valgt å snu på problemstillingen og jobber også for å få sollyset til å tilpasse seg solcellen, sier seniorforsker Arne Røyset.

Mennesket ser lys som er i spekteret 400 til 700 nanometer. Vanlige solceller fanger lys helt opp til 1 000 nanometer. Likevel slipper mye av lyset unna. Lyset som kommer fra sola, har en bestemt bølgelengde og energimengde. Ved at to og to partikler kombineres, dobles energimengden samtidig som bølgelengden halveres.

Tynnfilmen legges utenpå solcellene og det er de optiske egenskapene som gjør dette mulig. Ved at bølgelengden halveres, blir usynlig lys synlig. Dermed fanges det opp av solcellene. Vi kaller det frekvenskonvertering eller lyshøsting. Vi utnytter rett og slett sollyset bedre, sier Røyset.

Lykkes forskerne, vil solceller med belegget øke virkningsgraden uten å øke kostnadene i særlig grad. Solcellen og belegget er eksempler på optiske materialer. Det er hvordan lyset skapes, reflekteres, absorberes og spres, som er det essensielle ved optiske materialer.

Før handlet materialforskning ofte om å gjøre materialer sterke og lette, slik som med aluminium.Vi jobbet med å forbedre de egenskapene materialene allerede var i besittelse av. Nå dreier forskningen stadig mer om å gi dem nye funksjoner. Mulighetene er nærmest uendelige, sier Arne Røyset.

 

Unni Skoglund