Volframs ir īpaši piemērots kā materiāls ļoti noslogotām trauka daļām, kas aptver karstu saplūšanas plazmu, jo tas ir metāls ar augstāko kušanas temperatūru. Tomēr trūkums ir tā trauslums, kas stresa apstākļos padara to trauslu un pakļautu bojājumiem. Maksa Planka Plazmas fizikas institūts (IPP) Garchingā tagad ir izstrādājis jaunu, izturīgāku savienojumu materiālu. Tas sastāv no viendabīga volframa ar pārklātiem volframa stieplēm. Priekšizpēte tikko parādīja jaunā savienojuma piemērotību.

IPP veiktā pētījuma mērķis ir izstrādāt spēkstaciju, kas, tāpat kā saule, iegūst enerģiju no atomu kodolu saplūšanas. Izmantotā degviela ir zema blīvuma ūdeņraža plazma. Lai aizdedzinātu kodolsintēzes uguni, plazma ir jāierobežo magnētiskajos laukos un jāuzsilda līdz augstai temperatūrai. Kodolā tiek sasniegti 100 miljoni grādu. Volframs ir ļoti daudzsološs metāls kā materiāls komponentiem, kas nonāk tiešā saskarē ar karstu plazmu. To ir pierādījuši plaši pētījumi IPP. Tomēr līdz šim neatrisināta problēma bija materiāla trauslums: spēkstacijas apstākļos volframs zaudē savu izturību. Vietējo spriegumu – spriedzi, stiepšanos vai spiedienu – nevar novērst, materiālam nedaudz piekāpjoties. Tā vietā veidojas plaisas: tāpēc komponenti ļoti jutīgi reaģē uz lokālu pārslodzi.

Tāpēc IPP meklēja struktūras, kas spēj sadalīt vietējo spriedzi. Par modeļiem kalpoja ar šķiedru pastiprināta keramika: piemēram, trauslais silīcija karbīds ir piecas reizes izturīgāks, ja to pastiprina ar silīcija karbīda šķiedrām. Pēc dažiem provizoriskiem pētījumiem IPP zinātniekam Johanam Rīsam bija jāizpēta, vai līdzīga apstrāde var darboties ar volframa metālu.

Pirmais solis bija jaunā materiāla ražošana. Volframa matrica bija jāpastiprina ar pārklātām garām šķiedrām, kas sastāv no ekstrudētas volframa stieples, kas bija plānas kā mati. Vadi, kas sākotnēji bija paredzēti kā gaismas kvēldiegi spuldzēm, ko piegādāja Osram GmbH. IPP tika pētīti dažādi materiāli to pārklāšanai, tostarp erbija oksīds. Pēc tam pilnībā pārklātās volframa šķiedras tika savienotas kopā vai nu paralēli, vai pītas. Lai aizpildītu spraugas starp vadiem ar volframu, Johans Rišs un viņa kolēģi kopā ar Anglijas industriālo partneri Archer Technicoat Ltd. izstrādāja jaunu procesu. Tā kā volframa sagataves parasti tiek presētas kopā no metāla pulvera augstā temperatūrā un spiedienā, tika atrasta saudzīga savienojuma iegūšanas metode: volframs tiek nogulsnēts uz vadiem no gāzveida maisījuma, pielietojot ķīmisku procesu mērenā temperatūrā. Šī bija pirmā reize, kad ar volframa šķiedru pastiprinātu volframu tika veiksmīgi ražots ar vēlamo rezultātu: pēc pirmajiem testiem jaunā savienojuma izturība pret lūzumiem jau bija trīskāršojusies salīdzinājumā ar bezšķiedru volframu.

Otrais solis bija izpētīt, kā tas darbojas: Izšķirošais faktors izrādījās tas, ka šķiedras savieno plaisas matricā un var sadalīt lokāli iedarbīgo enerģiju materiālā. Šeit saskarnēm starp šķiedrām un volframa matricu, no vienas puses, ir jābūt pietiekami vājām, lai padotos, kad veidojas plaisas, un, no otras puses, pietiekami spēcīgām, lai pārnestu spēku starp šķiedrām un matricu. Liekšanas testos to varēja novērot tieši ar rentgena mikrotomogrāfiju. Tas demonstrēja materiāla pamata darbību.

Tomēr materiāla lietderību nosaka tas, ka, to uzklājot, tiek saglabāta paaugstinātā stingrība. Johans Rīss to pārbaudīja, pētot paraugus, kas bija trausli iepriekš termiskās apstrādes rezultātā. Kad paraugi tika pakļauti sinhrotronu starojumam vai ievietojot elektronu mikroskopā, to izstiepšana un locīšana šajā gadījumā apstiprināja arī uzlabotās materiāla īpašības: ja matrica spriedzes laikā sabojājas, šķiedras spēj pārvarēt radušās plaisas un novērst tās.

Tādējādi jaunā materiāla izpratnes un veidošanas principi ir sakārtoti. Paraugi tagad ir jāražo uzlabotos procesa apstākļos un ar optimizētām saskarnēm, kas ir priekšnoteikums liela mēroga ražošanai. Jaunais materiāls varētu būt interesants arī ārpus kodolsintēzes pētniecības jomas.