Műszaki Élet, 1983. január-június (38. évfolyam, 1-13. szám)
1983-01-06 / 1. szám
MÉ Építőkocka helyen Szélcsatorna helyett számítógép Mi történik, ha egy Boeing-747 óriásrepülőgép rázuhan egy atomerőműre? Kibírja-e ezt a terhelést a betonkupola? Hogyan oszlanak szét egy tóban a különböző gyárakból, ipartelepekről beengedett szennyvizek? Húsz évvel ezelőtt az ilyen és ehhez hasonló problémák megoldásához drága, pontatlan eredményeket adó modellekre, aerodinamikai problémák esetén szélcsatornákra volt szükség. Manapság ezekre az egymástól nagymértékben különböző kérdésekre számítógéppel lehet válaszolni. Az alapelv egyszerű. Ahogyan az épületek elemekből épülnek fel, bonyolult alakú felületek — például repülőgéptörzsek, hűtőtornyok — összeállíthatók nagy számú, egyszerű elemből, leginkább háromszögekből, négyszögekből vagy négyzetekből. Egy csatorna vagy egy kikötő vize pedig úgy tekinthető, mintha nagyszámú, egyszerű formájú kis vízcsomagból lenne összetéve. Az eljárás nagy előnye, hogy az egyes „építőkockák”viselkedését pontosan ismerjük. Ha ezt az információt betáplálják a számítógépbe, a gép az elemeket egésszé építi össze, és kiszámítja, hogy az egész komplexum bizonyos feltételek mellett hogyan viselkedik, így például meg lehet állapítani, hogyan hat egy bizonyos erősségű földrengés egy felhőkarcolóra. Vagy hogyan veszi igénybe az autókarosszériát egy meghatározott egyenetlenségű gödrös út. A technikai szerkezetek jelentős része úgy viselkedik, hogy az anyag igénybevétele egyenesen arányos a terheléssel. Igen nagy terhelések esetében azonban — és ilyenek a gyakorlatban előfordulnak (földrengés, erős szél) — ez a linearitás megszűnik. Például a müncheni olimpiai sportcsarnok tetőkonstrukciójának kiszámítása már kizárólag nemlineáris számítógépes módszerekkel volt egyáltalán lehetséges. A nemlineáris matematikai összefüggésekkel való számításokhoz szükség volt a számítógépek kapacitásának nagyságrendi növekedésére. A véges elemek módszerének továbbfejlesztése nemlineáris problémák megoldására egész sor új felhasználási lehetőséget teremtett. Ilyen például egy repülőgép-lezuhanás szimulációja egy atomerőműre. Ma már ott tartunk, hogy a véges elemek módszere minden problémánál felhasználható, amelyet differenciál-egyenletekkel le lehet írni. Ez pedig a műszaki problémáknál gyakorlatilag mindig lehetséges. Hol vannak a módszer határai? Egyes esetekben a számítási ráfordítás olyan nagy, hogy elérheti a legkorszerűbb, legnagyobb számítógépek kapacitásának határát is. Már viszonylag egyszerű kérdések — mint például egy hűtőtorony viselkedése viharban — több ezer ismeretlenes egyenletrendszerekhez vezetnek. Ennek megoldása még a mai számítógépekkel szemben is nagy követelményeket támaszt. A legnagyobb teljesítményt azonban az áramlások szimulációja kívánja meg. Az elmúlt év folyamán a NASA-ban egy szuperszámítógép segítségével rakéta repülését szimulálták. A tudósokat elsősorban azok a légörvények érdekelték, amelyek közvetlenül a hangsebesség alatt a rakéta körül keletkeznek. A vizsgálat során a számítógép negyedmillió pontból álló, háromdimenziós hálózattal számolt. A gép a feladat megoldásához tizennyolc óra alatt 100 milliárd aritmetikai műveletet végzett el. Az eredmények teljesen azonosak voltak azokkal a mérésekkel, amelyeket magával a rakétával szélcsatornában végeztek. Az egyik tudós meg is jegyezte, a szélcsatornát a jövőben csak a számítógép tárolására fogják használni. Természetesen a dolog korántsem ilyen egyszerű. A 18 órás számítógépidőnek a több ezerszeresét jelentette a program elkészítésének ideje. Az optimális hálózat meghatározása nagyon jó mérnöki munkát igényel. Az optimális hálózat elkészítéséhez bizonyos közelítéseket kell végezni. Ezek a számítást egyszerűsítik, ugyanakkor a végeredmény pontosságát nem, vagy csak alig befolyásolják. A korszerű számítógépeknél interaktív előprogramok készítése könynyíti meg ezt a nehéz feladatot. Ma már az eredményeket is nagy részben számítógéppel értékelik ki. Az előbb említett NASA-kísérlet során a rakétát és a légörvényeket színes képernyőn megjelenítve tetszés szerinti szögből lehetett szemrevételezni. A számítógépes munka utolsó fázisában a javított konstrukció és az általa okozott légörvények is megjeleníthetők a képernyőn. Ilyen módon néhány lépésben kialakítható az optimális konstrukció. ez. s. Szilárdsági számításokhoz a véges filam黫 A módszer évei az építményeket háromszögekre vagy négyszögekre bontják fel, mint az ábrán látható hűtőtoronynál. 4 Üveg membránok Tengervíz-sótalanítás Nagy mennyiségű friss víz előállítása a tengervízből igen fontos feladat a természetes ivóvízben szegény országok számára vagy pl. hosszú ideig a tengert járó hajókon. Ai kutatók állandóan új vízsótalanítási módszereket fejlesztenek ki. A fordított ozmózisos sótalanítás különösen előnyös, mivel nem igényli a desztillációs eljárásokhoz szükséges hőt és így viszonylag kevés energiát fogyaszt, emellet a berendezés kis helyen is elfér. A módszer teljesítménye nagymértékben fokozható üveg membránok alkalmazásával. A fordított ozmózis azon a jól ismert jelenségen alapszik, hogy ha koncentrált sóoldatot egy féligáteresztő membrán választ el egy hígított oldattól, a víz a membránon keresztül a hígított oldatból a koncentráltba áramlik, a mozgatóerőt az ozmózisnyomás adja. Ha a koncentrált sóoldatra fokozatosan növekvő nyomást adunk, ennek hatására először csökken az átáramlás a membránon, majd teljesen megáll, ha az alkalmazott nyomás egyenlő az ozmózisnyomással. A nyomás további fokozásának hatására a víz a koncentrált oldatból halad a hígított felé. Ezt a folyamatot hívják fordított ozmózisnak, és ez az alapja a friss víz előállításának tengervízből oly módon, hogy egyszerűen nyomást gyakorlunk a megfelelő membrán belsejében levő sós vízre. A membrán anyaga Lényeges, hogy a membránnak nagyszámú, megfelelő átmérőjű pórusa legyen. A tapasztalat szerint a pórusok átmérőjének 2—4 nanométer között kell lennie; a kisebb pórusok túl nagy ellenállásúak, a nagyobbak pedig átengedik a nátrium, klór és egyéb elemek hidratált ionjait. A membránnak emellett elég erősnek kell lennie ahhoz, hogy kibírja az alkalmazott nyomást, ami tengervíz sótalanítása esetében 8,4 MPa. Fontos továbbá a tartós fizikai és kémiai stabilitás, állékonyság is. Bizonyos szerves anyagok, pl. a cellulózacetát, kielégítik a membrán anyagával szemben támasztott igények egy részét, de ezek a hosszan tartó, nagy nyomás hatására deformálódnak, ami csökkenti a pórusok méretét, és akadályozza az áramlást. Egyes membránanyagokat a víz kémiai reakciója — hidrolízis — károsít, bizonyos feltételek mellett pedig biológiai hatások okozhatják teljes tönkremenetelüket. Ezek a problémák csökkenthetők, ha kisebb nyomást alkalmazunk, vagy savasítjuk és csírátlanítjuk a vizet, de ezek a megoldások megnövelik a fordított ozmózisos telep méretét, és csökkentik az eljárás alapvető egyszerűségét. Az üvegmembrán nem deformálódik az üzemi nyomás hatására, kémiailag igen stabil, és nem támadják meg biológiai hatások, mindenképpen előnyösebb tehát, feltéve, hogy a finom pórusok a kívánt sűrűségben állíthatók elő. Szerencsére van olyan eljárás, amelynek segítségével viszonylag könnyen előállítható mikropórusos üveg. Bár az üveg általában homogén fázisban van olvadt állapotban, és ebben a formában hűthető szobahőmérsékletre, egy további hőkezeléssel két különböző fázisra választható szét. 2000 km grammonként Elérhető, hogy a két fázis kölcsönösen kapcsolódjék egymáshoz, fonalas szerkezet formájában. Ha az egyik fázis hígított savban oldható, a másik viszont igen stabil és vegyileg ellenálló, akkor ezt a kétfázisos üveget savban kezelve az oldható anyagú fonalak feloldódásával a másik fázisból felépülő porózus váz marad csak meg. A nátrium—bórszilikát típusú vegyületek különösen alkalmasak mikropórusos üveg membránok készítésére. A hőkezelés folyamán az üvegben egy nátriumborót és egy csaknem tiszta szilíciumfázis alakul ki. Ily módon — megfelelő körülmények között — erősen porózus szilíciumüvegmembránok állíthatók elő, a fordított ozmózishoz szükséges membránnak megfelelő jellemzőkkel. Egy ilyen anyagról transzmissziós elektronmikroszkóppal készített felvételen jól látható a nagymértékben összekapcsolódó pórusszerkezet. A membrán különleges szerkezetét jól érzékelteti egyetlen adat: az anyag 1 grammjában levő póru- Pórusótiitra (nm) Mikropórusos üveg pórusméreteinek megoszlása. Az ábrázolt esetben a minta pórusai nagyjából azonos méretűek, az átlagos átmérő 3,7 mm Az űrigs üvegszál tegy forgó dobre tekeregik Üreges üvegszál előállítása sok vázának teljes hossza összesen mintegy 2000 km! Broximáns felület Hatékony fordított ozmózis céljára térfogategységenként a lehető legnagyobb felületet kell előállítani. Üveg esetében ezt legcélszerűbben úgy érik el, hogy a membrán üreges szálak formájában készül, folyamatos húzási eljárással, platina tégelyben, elektromosan hevített olvasztott üvegből. A szál átmérője általában 0,2 mm, falvastagsága 10— 20 //m. Alternatív megoldásként 4 mm átmérőjű és 0,5 mm falvastagságú üvegcsövet állítanak elő szabványos üveggyártási eljárással, ezt azután speciális kemencében újra felhevítik, és így húzzák ki a kívánt végső átmérőjű üreges szál formára. Másfél méternyi 4 mm-es üvegcsőből csaknem 2,5 km-nyi szál készíthető. Ennek az eljárásnak, bár nem folyamatos, előnye, hogy nincs szükség platina tégelyre. Húzás után a szálból hőkezeléssel és savazással állítják elő a kívánt mikroporózus formát. A szálmembránokból többféle módon készíthető fordított ozmózisos modul. Az egyik legegyszerűbb módszer szerint egy szorosan összefogott szálköteget cellába építenek, és nyomás alatt tengervizet szivattyúznak a körülvevő térbe úgy, hogy a sótalanított víz a szálak furatában gyűlik össze, és könnyen leszívható. Az üvegmembránok teljesítményének kísérleti vizsgálatai biztató eredményeket adtak. A cél természetesen az, hogy a lehető legjobb áramlást érjük el, a lehető legtöbb só visszatartása mellett. A gyakorlatban kompromisszumos megoldást kell találni, mert a kisebb pórusméretek — bizonyos határok között — pl. javítják a sóvisszatartást, de csökkentik az áramlást. Az elért áramlástól függően a sóviszszatartás mértéke 60 és 90 százalék között változik, de még ez utóbbinál is napi 3,5 m3 sótalanított víz volt előállítható 1 m2-nyi membránon. Az eddig elvégzett vizsgálatok alapján a mikropórusos üveg feltételezett kémiai és fizikai állandósága is igazolódott. GÁBOR JÁNOS A Spectrum cikke nyomán Fordított ozmózis alapján működő berendezés elvi vázlata KUTATÁS