Wolfram jest szczególnie odpowiedni jako materiał na silnie obciążone części naczynia otaczającego gorącą plazmę termotopliwą, ponieważ jest to metal o najwyższej temperaturze topnienia. Wadą jest jednak jego kruchość, która pod wpływem naprężeń czyni go kruchym i podatnym na uszkodzenia. Instytut Fizyki Plazmy im. Maxa Plancka (IPP) w Garching opracował obecnie nowatorski, bardziej sprężysty materiał złożony. Składa się z jednorodnego wolframu z osadzonymi powlekanymi drutami wolframowymi. Studium wykonalności właśnie wykazało podstawową przydatność nowego związku.

Celem badań prowadzonych w IPP jest opracowanie elektrowni, która podobnie jak słońce czerpie energię z syntezy jąder atomowych. Stosowanym paliwem jest plazma wodorowa o małej gęstości. Aby zapalić ogień termojądrowy, plazmę należy zamknąć w polu magnetycznym i podgrzać do wysokiej temperatury. W rdzeniu osiąga się 100 milionów stopni. Wolfram jest niezwykle obiecującym metalem jako materiał na elementy mające bezpośredni kontakt z gorącą plazmą. Wykazano to w szeroko zakrojonych badaniach przeprowadzonych w IPP. Jednakże dotychczas nierozwiązanym problemem była kruchość materiału: wolfram traci swoją wytrzymałość w warunkach panujących w elektrowni. Lokalne naprężenia – rozciąganie, rozciąganie lub ucisk – nie mogą zostać wyeliminowane poprzez lekkie uginanie się materiału. Zamiast tego tworzą się pęknięcia: dlatego komponenty reagują bardzo wrażliwie na lokalne przeciążenia.

Dlatego IPP poszukiwało struktur zdolnych do rozkładu lokalnego napięcia. Ceramika wzmocniona włóknami służyła jako modele: na przykład kruchy węglik krzemu jest pięciokrotnie bardziej wytrzymały, gdy jest wzmocniony włóknami węglika krzemu. Po kilku wstępnych badaniach naukowiec z IPP Johann Riesch miał zbadać, czy podobna obróbka może zadziałać w przypadku wolframu metalicznego.

Pierwszym krokiem było wyprodukowanie nowego materiału. Matrycę wolframową należało wzmocnić powlekanymi długimi włóknami składającymi się z wytłaczanego drutu wolframowego cienkiego jak włos. Druty, pierwotnie przeznaczone jako włókna świetlne do żarówek, zostały dostarczone przez firmę Osram GmbH. W IPP badano różne materiały do ​​ich powlekania, w tym tlenek erbu. Całkowicie powleczone włókna wolframowe następnie związano razem równolegle lub spleciono. Aby wypełnić wolframem szczeliny między drutami, Johann Riesch i jego współpracownicy opracowali nowy proces we współpracy z angielskim partnerem przemysłowym Archer Technicoat Ltd. Podczas gdy elementy wolframowe są zwykle prasowane razem z proszku metalicznego w wysokiej temperaturze i ciśnieniu, bardziej znaleziono delikatną metodę wytwarzania tego związku: Wolfram osadza się na drutach z mieszaniny gazowej poprzez zastosowanie procesu chemicznego w umiarkowanych temperaturach. Po raz pierwszy udało się wyprodukować wolfram wzmocniony włóknem wolframowym, co przyniosło pożądany rezultat: już po pierwszych testach odporność na pękanie nowego związku wzrosła trzykrotnie w porównaniu z wolframem bez włókien.

Drugim krokiem było zbadanie, jak to działa: decydującym czynnikiem było to, że włókna mostkują pęknięcia w osnowie i mogą rozprowadzać lokalnie działającą energię w materiale. W tym przypadku połączenia między włóknami a osnową wolframową muszą z jednej strony być wystarczająco słabe, aby ustąpić w przypadku powstania pęknięć, a z drugiej strony muszą być wystarczająco mocne, aby przenosić siłę pomiędzy włóknami i osnową. W próbach zginania można to zaobserwować bezpośrednio za pomocą mikrotomografii rentgenowskiej. To pokazało podstawowe funkcjonowanie materiału.

Decydujące dla użyteczności materiału jest jednak to, że zwiększona wytrzymałość zostaje zachowana po jego zastosowaniu. Johann Riesch sprawdził to, badając próbki, które uległy kruchości w wyniku wcześniejszej obróbki cieplnej. Gdy próbki poddano działaniu promieniowania synchrotronowego lub pod mikroskopem elektronowym, rozciąganie i zginanie również w tym przypadku potwierdziło ulepszone właściwości materiału: jeśli matryca ulegnie zniszczeniu pod wpływem naprężeń, włókna są w stanie mostkować powstałe pęknięcia i je eliminować.

W ten sposób zostają ustalone zasady rozumienia i wytwarzania nowego materiału. Próbki mają być obecnie produkowane w ulepszonych warunkach procesu i przy zoptymalizowanych interfejsach, co jest warunkiem wstępnym produkcji na dużą skalę. Nowy materiał może być również interesujący poza dziedziną badań nad syntezą termojądrową.