Το κύριο ερευνητικό έργο του καθηγητή Γρηγόρη Χαϊδεμενόπουλου στο Εργαστήριο Υλικών του Τμήματος Μηχανολόγων Μηχανικών του Πανεπιστημίου Θεσσαλίας είναι ο υπολογιστικός σχεδιασμός νέων υλικών και ιδιαίτερα χαλύβων και κραμάτων αλουμινίου.
Όπως τονίζει ο καθηγητής: «Tα μεταλλικά υλικά αναπτύσσονται ακόμη και σήμερα με τη μέθοδο δοκιμής και σφάλματος. Αυτή είναι μια εμπειρική προσέγγιση που κοστίζει σε χρόνο και χρήμα. Εμείς στο Εργαστήριο Υλικών πιστεύουμε πως η ανάπτυξη νέων μεταλλικών υλικών πρέπει να βασίζεται στη γνώση. Ο υπολογιστικός σχεδιασμός των μεταλλικών κραμάτων αποτελεί το πρώτο βήμα στην κατεύθυνση αυτή». Μάλιστα στο εργαστήριο έχουν ονομάσει την μεθοδολογία αυτή «Alloyneering» από τις λέξεις Alloy (κράμα) και Engineering. Με τη μεθοδολογία αυτή αξιοποιούνται σύγχρονα υπολογιστικά εργαλεία στην περιοχή της υπολογιστικής θερμοδυναμικής και κινητικής, καθώς και σύγχρονες ψηφιακές βάσεις θερμοδυναμικών και κινητικών δεδομένων για την προσομοίωση και τον σχεδιασμό νέων μεταλλικών κραμάτων.
Η μείωση του βάρους των οχημάτων αποτελεί κυρίαρχο στόχο της αυτοκινητοβιομηχανίας, τόσο σε οχήματα με κινητήρα εσωτερικής καύσης, αφού η μείωση βάρους οδηγεί σε μείωση της κατανάλωσης και των ρύπων, όσο και στα ηλεκτροκίνητα οχήματα, όπου η μείωση βάρους οδηγεί σε αύξηση της ηλεκτρικής αυτονομίας (range). Το βάρος ενός τυπικού αυτοκινήτου ιδιωτικής χρήσης κατανέμεται στο πλαίσιο (40%), τις αναρτήσεις (25%), κινητήρας-κιβώτιο ταχυτήτων (15%) και λοιπός εξοπλισμός (20%). Επομένως το πλαίσιο και οι αναρτήσεις συμμετέχουν σημαντικά στο συνολικό βάρος και σε αυτά εστιάζεται η μεγαλύτερη προσπάθεια για μείωση του βάρους.
Πρόσφατα, στο Εργαστήριο Υλικών, σχεδιάστηκε ένας νέος χάλυβας υψηλής αντοχής για ελαφρές αναρτήσεις αυτοκινήτων (lightweight chassis). Το ενδιαφέρον είναι ότι ο νέος χάλυβας σχεδιάστηκε εξ ολοκλήρου στον υπολογιστή εφαρμόζοντας τη μεθοδολογία Alloyneering (www.alloyneering.com). Ο χάλυβας αυτός ανήκει στα λεγόμενα έξυπνα υλικά (smart materials) διότι εκτός από την υψηλή αντοχή διαθέτει και υψηλή διαμορφωσιμότητα επιτρέποντας τη διαμόρφωση της πολύπλοκης γεωμετρίας της ανάρτησης από ένα μόνο τεμάχιο χάλυβα, οδηγώντας έτσι σε σημαντική μείωση του βάρους. Μάλιστα η δομή του χάλυβα μετασχηματίζεται την ώρα της διαμόρφωσής του, αυξάνοντας επιπλέον την αντοχή του και τη διαμορφωσιμότητά του. Για την ανάπτυξη των χαλύβων της αυτοκινητοβιομηχανίας, το Εργαστήριο Υλικών έχει συνεργαστεί με τις μεγαλύτερες εταιρείες χάλυβα όπως οι Thyssen Krupp, Salgiter, και Voest Alpine Stahl.
Νέοι χάλυβες για αγωγούς μεταφοράς υδρογονανθράκων
Η ολοένα αυξανόμενη ζήτηση φυσικού αερίου παγκοσμίως, έχει οδηγήσει στην ανάγκη για αγωγούς μεταφοράς μεγάλης διαμέτρου με αποτέλεσμα την υπερβολική αύξηση του βάρους των αγωγών. Για να υπάρξει σημαντική μείωση του βάρους απαιτείται η ανάπτυξη νέων χαλύβων με υψηλή αντοχή και συγκολλησιμότητα. Πρόσφατα το Εργαστήριο Υλικών στο πλαίσιο προγράμματος με τη χαλυβουργική βιομηχανία Arcelor Mittal και άλλους ερευνητικούς φορείς σχεδίασε τη θερμομηχανική κατεργασία του χάλυβα έτσι ώστε αυτός να αποκτήσει την απαιτούμενη υψηλή αντοχή. Ο σχεδιασμός έγινε με τη μεθοδολογία Alloyneering, που αναφέρθηκε πιο πάνω. Μικροποσότητες κραματικών στοιχείων, όπως το νιόβιο, αλλά και η ελεγχόμενη έλαση και επιταχυνόμενη ψύξη του χάλυβα είχαν σαν αποτέλεσμα τη διαμόρφωση μιας εξαιρετικά λεπτόκοκκης μικροδομής, με μέθεγος κόκκου κάτω από τα 5 μικρόμετρα. Αυτό είχε σαν αποτέλεσμα την ανάπτυξη υψηλής αντοχής, γεγονός που επιτρέπει την κατασκευή αγωγών φυσικού αερίου μεγάλης διαμέτρου και χαμηλού βάρους.
Νέα κράματα αλουμινίου
για αρχιτεκτονικές χρήσεις
Στην Ελλάδα υπάρχουν πολλές βιομηχανίες διέλασης αλουμινίου για την παραγωγή προφίλ. Τα προφίλ αυτά προορίζονται κυρίως για αρχιτεκτονικές χρήσεις (παράθυρα, πόρτες, μεταλλικά κτίρια) αλλά και για δομικά στοιχεία στην αυτοκινητοβιομηχανία (π.χ. ελαφρές αναρτήσεις και τμήματα του πλαισίου των οχημάτων). Η βασική απαίτηση για τα κράματα αυτά, εκτός από τις μηχανικές τους ιδιότητες, είναι να έχουν υψηλή διελασιμότητα, δηλαδή να μπορούν να διαμορφωθούν σε προφίλ με υψηλή ταχύτητα.
Η ερευνητική ομάδα του Γρηγόρη Χαϊδεμενόπουλου, στο Εργαστήριο Υλικών, σχεδίασε με τη μεθοδολογία Alloyneering, ένα νέο κράμα αλουμινίου, το οποίο παρουσιάζει 40% υψηλότερη ταχύτητα διέλασης σε σχέση με τα συμβατικά κράματα. Αυτό είχε σαν αποτέλεσμα την αύξηση της παραγωγικότητας χωρίς καθόλου μείωση της αντοχής του κράματος. Ήδη το κράμα αυτό παράγεται από μεγάλη βιομηχανία αλουμινίου της χώρας ενώ εξάγεται και σε πολλές ευρωπαϊκές χώρες.
Αεροπορικά κράματα αλουμινίου και υδρογόνο
Η ερευνητική ομάδα του Εργαστηρίου Υλικών έχει δραστηριοποιηθεί και στη διερεύνηση της επίδρασης του υδρογόνου σε διάφορα μεταλλικά κράματα. Ιδιαίτερης σημασίας είναι η επίδραση του υδρογόνου στα αεροπορικά κράματα αλουμινίου στα αεροσκάφη που έχουν συμπληρώσει τον ονομαστικό χρόνο λειτουργίας και που, για οικονομικούς λόγους, είναι ακόμα ενταγμένα στον παγκόσμιο αεροπορικό στόλο, εκτελώντας καθημερινές πτήσεις. Στα «γηράσκοντα» αυτά αεροσκάφη, το υδρογόνο, που παράγεται από διαδικασίες διάβρωσης, εισέρχεται στο μέταλλο και προκαλεί ψαθυροποίηση, κάνει δηλαδή το μέταλλο πιο ευαίσθητο στη θραύση. Η έρευνα που πραγματοποιείται τα τελευταία χρόνια στο Εργαστήριο Υλικών είχε σαν αποτέλεσμα τον προσδιορισμό των μηχανισμών με τους οποίους παγιδεύεται το υδρογόνο στη δομή του αλουμινίου και ανέδειξε την επίδραση της προστατευτικής επικάλυψης (cladding) στην αντιμετώπιση της ψαθυροποίησης. Η έρευνα αυτή συνεχίζεται και σε άλλα κράματα αλουμινίου και χάλυβες, που πρόκειται να χρησιμοποιηθούν για τη μεταφορά ή αποθήκευση υδρογόνου σε ενεργειακές υποδομές.
Διερεύνηση μηχανισμών βλάβης και αστοχιών στα μεταλλικά υλικά
Η οξείδωση, η διάβρωση, οι ρηγματώσεις, η κόπωση και ο ερπυσμός αποτελούν συνήθεις μηχανισμούς βλάβης και υποβάθμισης των μεταλλικών υλικών και οδηγούν σε αστοχίες μηχανολογικών στοιχείων και κατασκευών. Μηχανολογικά στοιχεία που επηρεάζονται είναι εναλλάκτες θερμότητας, αντιδραστήρες, δοχεία πίεσης, αντλίες, δίκτυα σωληνώσεων, βιομηχανικοί κλίβανοι, συμπιεστές και στρόβιλοι καθώς και οι περισσότερες συγκολλητές κατασκευές. Τα τελευταία 15 χρόνια έχουν διερευνηθεί, στο Εργαστήριο Υλικών, πάνω από 350 περιπτώσεις αστοχιών μηχανολογικού εξοπλισμού σε διάφορες βιομηχανικές μονάδες της χώρας (διυλιστήρια, χημικές βιομηχανίες, τσιμεντοβιομηχανίες, κατασκευές). Ο προσδιορισμός του μηχανισμού βλάβης και αστοχίας έχει οδηγήσει, στις περισσότερες περιπτώσεις, σε προτάσεις αντιμετώπισης, ώστε να μη συμβούν παρόμοιες αστοχίες στο μέλλον.
Βιογραφικό
Γεννήθηκε στην Αθήνα. Σπούδασε στην Ελλάδα και ΗΠΑ. Είναι Μηχανολόγος Μηχανικός του ΑΠΘ. Πήρε MSc σε Ocean Engineering από το ΜΙΤ, καθώς και MSc και PhD επίσης από το ΜΙΤ. Από το 1992 είναι Διευθυντής του Εργαστηρίου Υλικών στο Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών του ΠΘ. Διδάσκει Φυσική Μεταλλουργία και Συγκολλήσεις και του έχει απονεμηθεί το Βραβείο Διδασκαλίας για τα έτη 2007, 2008, 2009, 2011 και 2015. Με πρωτοβουλία του ιδρύθηκε το 2000 η Ελληνική Μεταλλουργική Εταιρεία με μέλη Μηχανικούς που δραστηριοποιούνται στον τομέα των μεταλλικών υλικών. Έχει αναπτύξει με την ερευνητική του ομάδα τη μεθοδολογία σχεδιασμού μεταλλικών υλικών Alloyneering (www.alloyneering.com) και έχει συνεργαστεί με τις μεγαλύτερες εταιρείες χάλυβα για την ανάπτυξη των χαλύβων TRIP και άλλων χαλύβων υψηλής αντοχής και διαμορφωσιμότητας. Είναι συγγραφέας του βιβλίου Physical Metallurgy – Principles and Design, που έχει εκδοθεί από τον εκδοτικό οίκο CRC Press, καθώς και των βιβλίων Φυσική Μεταλλουργία και Επιστήμη και Τεχνολογία Συγκολλήσεων από τις εκδόσεις Τζιόλα. Τα ερευνητικά του ενδιαφέροντα αφορούν στην εφαρμογή σύγχρονων υπολογιστικών εργαλείων στον σχεδιασμό νέων υλικών, όπως νέοι χάλυβες, κράματα αλουμινίου και μαγνησίου, επίδραση υδρογόνου στα μεταλλικά υλικά και οι μηχανισμοί υποβάθμισης των μεταλλικών υλικών.
Καθηγητές του Πανεπιστημίου Θεσσαλίας στο 2% των κορυφαίων επιστημόνων παγκοσμίως
Η «Θ» σε σειρά παρουσιάσεων αναδεικνύει το έργο αξιόλογων επιστημόνων του Πανεπιστημίου Θεσσαλίας. Λαμβάνοντας υπόψη 22 επιστημονικά πεδία, 176 υποκατηγορίες αυτών, καθώς και επιλεγμένα βιβλιομετρικά κριτήρια, μία πρόσφατη μελέτη των Baas, Boyak & Ioannidis (2021) του Πανεπιστημίου Stanford των ΗΠΑ (https://elsevier.digitalcommonsdata.com/datasets/btchxktzyw/3) εντόπισε το παγκόσμιο 2% των κορυφαίων ερευνητών-επιστημόνων, με βάση το συνολικό επιστημονικό τους έργο. Σε αυτό το τιμητικό ποσοστό συγκαταλέγονται και 26 καθηγητές του Πανεπιστημίου Θεσσαλίας, οι οποίοι αναφέρονται με τη σειρά που τους κατατάσσει η μελέτη: 1) Αρβανητογιάννης Ιωάννης, 2) Παπαγεωργίου Ελπινίκη, 3) Τσιακάρας Παναγιώτης, 4) Παπαδημητρίου Κώστας, 5) Μαλίζος Κωνσταντίνος, 6) Κουτεντάκης Γιάννης, 7) Χάλκος Γεώργιος, 8) Μπάκος Παντελής, 9) Αθανασίου Χρήστος, 10) Φλουρής Ανδρέας, 11) Μακρής Δημήτρης, 12) Παπαστεργίου Μαρίνα, 13) Παπαϊωάννου Αθανάσιος, 14) Κίττας Κωσταντίνος, 15) Φατούρος Ιωάννης, 16) Καραμάνος Σπύρος, 17) Ανθόπουλος Λεωνίδας, 18) Ζηλιασκόπουλος Αθανάσιος, 19) Φθενάκης Γεώργιος, 20) Λουτρίδης Σπύρος, 21) Σανταλίδης Χαρίλαος, 22) Αβραμίδης Ηλίας, 23) Ιακωβίδης Δημήτριος, 24) Σταματέλος Αθανάσιος, 25) Αργυρίου Αντώνιος, και 26) Χαϊδεμενόπουλος Γεώργιος.