Laboratorium na miarę XXI wieku

Prof. Ryszard Kaczyński, dyrektor Instytutu Hydrogeologii i Geologii Inżynierskiej, ma powody do zadowolenia. O stworzeniu pracowni zajmującej się badaniami geomateriałów myślano już przeszło dekadę temu, ale dopiero za jego kadencji plany udało się zrealizować. Doprowadzenie do powstania laboratorium stanie się ukoronowaniem jego naukowej kariery.

- Wie pan, nie dbam już o tytuły. Chodzi mi bardziej o młodych ludzi, którzy będą mieli warsztat pracy na naprawdę europejskim poziomie - wyznaje szczerze. - Nie wierzyłem w powodzenie tego przedsięwzięcia. Dopiero trzy lata temu postawiliśmy wszystko na jedną kartę. Uznaliśmy, że jeśli w ten sposób nie pozyskamy najnowszej aparatury, to nie zobaczymy jej nigdy. To było impulsem - dodaje.

W Polsce nie ma oni jednego centrum, które posiadałoby na tyle wszechstronną aparaturę, by można było na niej badać wszystkie rodzaje skał. Wiele instytucji ma świetne zaplecze, ale ściśle ukierunkowane na potrzeby - jedni zajmują się iłami, drudzy piaskowcami, jeszcze inni materiałami sztucznymi. Badania są więc wycinkowe. W Międzyinstytutowym Laboratorium Właściwości i Mikrostruktur Geomateriałów nie dość, że będą kompleksowe, to jeszcze prowadzone w jednym miejscu. Żeby zwiększyć szanse na akceptację projektu, pozyskano sojuszników.

- Stworzyliśmy konsorcjum jednostek naukowych, tak aby zakupiony sprzęt służył nie tylko nam, ale i innym. Dzięki temu będzie on wykorzystany w o wiele większym stopniu - przyznaje dyrektor jednego z trzech instytutów na Wydziale Geologii UW.

GEOMATERIAŁY, CÓŻ TO TAKIEGO?

Do współpracy zaproszono dwanaście instytucji. Część przyklasnęła od razu, inni nie chcieli. Teraz żałują. Ostatecznie konsorcjum liczy osiem jednostek. W jego skład, oprócz założycieli, wchodzą: Wydział Geografii i Studiów Regionalnych UW, Wydział Nauk Geograficznych i Geologicznych Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska Akademii Techniczno-Rolniczej w Bydgoszczy, Instytut Agrofizyki PAN w Lublinie, Wydział Budownictwa Politechniki Łódzkiej, Państwowy Instytut Geologiczny w Warszawie oraz Zakład Archeologii Śródziemnomorskiej PAN w Warszawie. Zestaw nie jest przypadkowy. Wszystkie zajmują się ściśle tą częścią skorupy ziemskiej, która służy człowiekowi. Metodyka badań jest przy tym prawie identyczna. Tylko medium - w każdym przypadku inne.

O geomateriałach zaczęto mówić przeszło ćwierć wieku temu. Pod pojęciem tym kryją się materiały naturalne oraz wytworzone z nich - przy udziale człowieka - materiały sztuczne, m.in. gleby, osady, w tym grunty i skały stanowiące podłoże różnych budowli, odpady kopalniane, jak również grunty antropogeniczne, materiały budowlane i przedmioty użytkowe. Coraz częściej geomateriały mają zastosowanie w inwestycjach ekologicznych, a także w ochronie i odnowie dziedzictwa kulturowego. Jak widać, gama jest dość szeroka.

Choć w konsorcjum znalazło się mniej instytucji niż planowano, to tym lepiej dla nich. Zapłacą za usługi znacznie taniej. Pozostali, którzy będą chcieli skorzystać z laboratorium, pokryją nie tylko koszty materiałowe, ale i opłacą pracowników, amortyzację sprzętu. Większość aparatów zostanie kupiona u zagranicznych producentów z Wielkiej Brytanii, Francji, Włoch, Niemiec, USA i Japonii. To właśnie z uwagi na aparaturę mówi się, że będzie to laboratorium XXI wieku.

- Gdyby chcieć zastosować tę terminologię do obecnej sytuacji, to w tej chwili pracujemy na sprzęcie z przełomu XIX i XX wieku. Postęp w tej dziedzinie jest ogromny. Urządzenia, które właśnie kupujemy do laboratorium, są całkiem nowej jakości. Posłużą do badania właściwości i mikrostruktur geomateriałów. Nie dałoby się tego zrobić za pomocą maszyn, które posiadamy - przyznaje pracownik instytutu dr Jerzy Trzciński.

I od razu daje przykład komory trójosiowej do badań dynamicznych. Wiadomo, że tam, gdzie występują jakiekolwiek wstrząsy, grunt zmienia swoje właściwości i strukturę. W Polsce niemożliwe było do tej pory zbadanie tych zjawisk. Dzięki komorze sytuacja ulegnie zmianie. Podobnie będzie z badaniami terenowymi. Za pomocą nowej aparatury geofizycznej będzie można bezinwazyjnie, czyli bez kopania gruntu, uzyskać informacje na temat jego właściwości. W połączeniu ze sprzętem laboratoryjnym powstanie ciąg technologiczny, który pozwoli na kompleksowe badanie danego terenu, wszechstronne poznanie środowiska geologicznego.

Część aparatury już jest, więc by jej nie dublować, postanowiono jedynie uzupełnić potencjał dotychczasowego laboratorium. Zresztą, jest ono źródłem wielu osiągnięć instytutu. Bodaj największym jest atlas mikrostruktur skał od prekambru do holocenu, obejmujący obszar od Odry aż po Ural. To jedyna tego typu monografia, nie mająca powtórzenia nigdzie na świecie.

- Nikt tego nie zrobił i nie zrobi, bo na Zachodzie mówią: my jesteśmy za biedni, żeby coś takiego zrobić. A my powiedzieliśmy: nie mamy co robić i to zrobimy - ironizuje dr Trzciński.

Atlas powstał we współpracy z Wydziałem Geologii Uniwersytetu Łomonosowa w Moskwie na podstawie jakościowych badań mikrostruktur. Wydano go w 1984 roku, po prawie pięciu latach mozolnej i wytężonej pracy wielu badaczy z Polski i byłego ZSRR. Dzieło liczy ponad 300 stron i oprócz obszernej dokumentacji fotograficznej mikrostruktur zawiera bardzo użyteczne dane o składzie mineralnym i właściwościach analizowanych skał. Są one wykorzystywane nie tylko przez naukowców-teoretyków, ale także przez badaczy-praktyków, którzy coraz częściej interesują się nimi.

- Hydrogeologia i geologia inżynierska zaliczają się do dyscyplin geologii stosowanej, więc wiele z badań prowadzonych w naszym instytucie miało swoje praktyczne przełożenie. Po części wynikało to z potrzeb gospodarki. Kiedy górnictwo było potęgą, rozwijała się też ściśle związana z tą branżą geologia.

ILOŚĆ CZY JAKOŚĆ?

Prof. Kaczyński z łezką w oku wspomina współpracę z kopalniami siarki, węgla brunatnego, elektrowniami. Górnictwo jednak podupadło, kopalnie są zamykane, a pośrednio i zapotrzebowanie na geologię słabnie. Jakby na przekór temu, badania w instytucie rozwijają się dość prężnie. Jeden z projektów dotyczył metod badania przepuszczalności gruntów. Właściwości filtracyjne mają podstawowe znaczenie w praktyce inżynieryjnej. W celu ochrony środowiska na składowiskach niebezpiecznych odpadów podłoże musi być w specjalny sposób zabezpieczone przed wnikaniem szkodliwych substancji w głąb gruntu. Sprawdzano więc na trzech wybranych rodzajach gruntów - ile, glinie i madzie - które metody są najbardziej ekonomiczne.

- Z uwagi na wiarygodność uzyskiwanych wyników, uwarunkowania techniczne i ekonomiczne, za najwłaściwsze metody badania współczynnika filtracji uznaliśmy dwie: permeametrem kompresyjnym oraz sakedometrem, pozwalającym na kontrolę tzw. ciśnienia ssania gruntów, którego wielkość maleje wraz ze wzrostem stopnia nasycenia - opisuje prof. Kaczyński, którego zespół zajmuje się również iłami plioceńskimi.

To zagadnienie jest ewenementem, zarówno w skali polskiej, jak i światowej. Na tych trzeciorzędowych skałach, zajmujących prawie całą środkową Polskę, prowadzonych jest wiele inwestycji. W jednej z warszawskich stacji metra podchodzą one prawie pod powierzchnię ziemi. Sęk w tym, że grunty te zaliczane są do ekspansywnych, co oznacza, iż pęcznieją, gdy wchodzą w kontakt z wodą, albo kurczą się, gdy wysychają. W takich obiektach, jak metro czy wysokie hotele z garażami znajdującymi się poniżej poziomu gruntu, nie bez znaczenia są w związku z tym ciśnienia boczne. Kiedy szukano miejsca, gdzie można byłoby iły plioceńskie zbadać wszelkimi możliwymi sposobami, a dodatkowo pobrać do laboratorium próbki o nienaruszonej strukturze, okazało się, że najbardziej do tego celu nadają się warszawskie Stegny. W związku z prowadzonymi badaniami mikrostruktur powstało w instytucie prototypowe urządzenie do suszenia materiałów.

- Żeby zbadać rzeczywiste parametry mikrostruktury skał, które są głęboko pod ziemią, trzeba najpierw zachować tę strukturę. Pobrana próbka jest więc zamrażana do bardzo niskiej temperatury, a następnie suszy się ją poprzez sublimację w próżni - tłumaczy autor takiego urządzenia, dr Jerzy Trzciński, który jest też w pewnym sensie prekursorem ilościowej analizy mikrostrukturalnej.

W trakcie badań na Stegnach wyszło właśnie na jaw, że taka analiza jest istotnym elementem planowania inżynieryjnego. Do tej pory brano pod uwagę jedynie ocenę jakościową. Teraz, dzięki stworzeniu odpowiedniego programu komputerowego, można otrzymać zdjęcie mikroskopowe w różnych powiększeniach i dzięki temu zbadać co najmniej kilkanaście parametrów ilościowych, np. liczbę porów, ich obwód i formę, anizotropię mikrostruktury czy nawet współczynnik przepuszczalności. Dodatkowym efektem prac były obserwacje obciążeń bocznych. Zauważono, że są one stosunkowo duże.

- Zwróciliśmy też uwagę na pewną ciekawostkę. Otóż, kiedy czerpiemy wodę ze studni, zwierciadło zaczyna się obniżać. Tymczasem w 250-metrowej studni na Stegnach, od kilku lat podwyższało się. Trudno było to wytłumaczyć. Dopiero później doszliśmy do wniosku, iż powodem tego jest zmniejszony pobór wody oligoceńskiej z tej studni. Kiedyś używano tak dobrej gatunkowo wody nawet do celów przemysłowych, a kiedy zapotrzebowanie się zmniejszyło, woda zaczęła sama wypływać ze studni - objaśnia prof. Kaczyński.

Wyniki badań na Stegnach podsunęły pracownikom instytutu także inną myśl. Wprawdzie w Polsce istnieją normy budowlane, określające sposób projektowania obiektów oraz przyjęte parametry, ale nie uwzględniają one wszystkich czynników geologicznych. Powstał więc pomysł opracowania osobnych tabel dla badanych skał, m.in. iłów plioceńskich. Będą one badane we wszechstronny sposób właśnie w nowym laboratorium.

- Poprzez porównanie badań laboratoryjnych in situ, czyli w terenie oraz bezinwazyjnych, będziemy mogli dużo powiedzieć o podłożu, po którym chodzimy - sugerują moi rozmówcy.

ERCEDES W... LABORATORIUM

Do nowego laboratorium zakupionych zostanie 19 urządzeń. Dwa z nich - porozymetr rtęciowy i dyspersyjny laserowy miernik wielkości cząstek oraz potencjału zeta - będą stały w Lublinie. Naukowcy z tamtejszego Instytutu Agrofizyki mają duże doświadczenie w wykonywaniu badań na tego typu aparatach, a poza tym mają już gotowe pomieszczenia przystosowane do przyjęcia takiego sprzętu.

- To drugie urządzenie będzie miało ogromne znaczenie w wielu zastosowaniach aplikacyjnych. W Lublinie kupiono wcześniej sprzęt, który bada cząstki powyżej pewnej wielkości. Te dwa aparaty będą zatem ze sobą kompatybilne - wyjaśnia dr Jerzy Trzciński.

Najdroższym elementem wyposażenia laboratorium będzie skaningowy mikroskop elektronowy o wysokiej rozdzielczości. Kosztuje blisko milion zł, ale to on będzie sercem całej pracowni. Urządzenie służy do wszelkich badań związanych ze strukturą materiałów, a co za tym idzie - ich właściwości. Aby stwierdzić, jak struktura powstaje oraz w jaki sposób można ją modyfikować, trzeba znać jej parametry i zobaczyć jak jest zbudowana. Obraz w mikroskopie elektronowym powstaje poprzez bombardowanie wiązką elektronów i odbicie ich od tej powierzchni, a następnie wyłapanie ich przez detektory. Jest dzięki temu rzeczywisty, nie powiększony soczewkami ani binokularami. Mało tego, struktura to nie jest już tylko układ elementów i ich wielkość, ale również fizykochemia. W tym aparacie również będzie możliwość jej zbadania.

Zdaniem dr. Trzcińskiego, klasa skaningowego mikroskopu odpowiada mercedesowi w samochodowej hierarchii. Nie jest to może najwyższa półka, ale więcej na razie nie potrzeba. Koszt zakupu wszystkich urządzeń przekroczył 3,5 mln zł. Środki w całości pochodziły z KBN. Pojawiły się już pierwsze projekty do realizacji na nowej aparaturze.

- Chcielibyśmy rozwijać temat konsolidacji geomateriałów, czyli możliwości ich zagęszczenia, a w konsekwencji zmianę właściwości. Osady są skonsolidowane w różnym stopniu. Powstaje pytanie, od czego to zależało w historii geologicznej i jak wpływa to na ich właściwości?

Kontynuowane będą też badania oceny mikrostrukturalnej. Powstał atlas, teraz pora na kolejny etap - trójwymiarowe obrazy. Oprogramowanie do projektu tworzą Rosjanie. Według ich zapewnień, jeszcze przed wakacjami powstanie metodyka analizy mikrostruktury materiału rzeczywistej 3D.

Laboratorium znajdzie się w obecnym gmachu instytutu. Funkcjonować będzie 24 godziny na dobę, a pracować w nim będzie pięć osób. Zapewnią one obsługę techniczną wszystkich urządzeń, ale będę również wspomagały zespoły badawcze. Planowane jest także wygospodarowanie lokum na potrzeby osób przyjezdnych. W sumie prawie 200 m2 podzielonych zostanie na dziewięć pomieszczeń. Znajdować się tam będą również aparaty, które instytut już posiada. Nowe urządzenia umieszczone zostaną w wydzielonej strefie. Obecnie trwa adaptacja pomieszczeń na potrzeby laboratorium. Zgłoszono już wniosek do Fundacji na rzecz Nauki Polskiej o dofinansowanie z programu MILAB kwotą 350 tys. zł. Pierwsze urządzenia montowane będą po wakacjach, a do końca roku laboratorium powinno być już w całości zagospodarowane.

Dr Trzciński podkreśla, że tak wszechstronna i wyposażona pracownia będzie jedyną w Polsce, ale również jedną z niewielu w Europie. Jest więc szansa na współpracę z zachodnimi ośrodkami. Laboratorium to mocna karta przetargowa w rozmowach z innymi ośrodkami.

- Liczymy na wejście w pewien krąg zainteresowań. Mamy nadzieję na wymiany naukowe, w trakcie których pracownicy zachodnich instytucji wykonywaliby u nas badania. To wiązałoby się z dodatkowymi dochodami, które w niedługim czasie pozwoliłyby na usamodzielnienie się laboratorium - planują pomysłodawcy przedsięwzięcia.

Nowa inwestycja będzie też atutem w szukaniu zleceniodawców badań w Polsce. Jeśli tylko zgłosi się firma, która będzie chciała wykonać badania o charakterze aplikacyjnym, to zostanie przyjęta z otwartymi rękoma.

- Postawiliśmy sobie trzy główne cele: naukowy, czyli organizowanie projektów badawczych, dydaktyczny, by zapewnić sobie napływ młodych ludzi oraz aplikacyjny. Ten ostatni może nie jest najważniejszy, chociaż dziś trudno ocenić, czy to się nie zmieni. W Europie nastawienie na aplikacyjność nauki jest bardzo ważne i być może te relacje zostaną odwrócone - będziemy stawiali w pierwszym rzędzie na aplikację. Tego wykluczyć nie można - przyznaje dr Trzciński.

I kto wie, czy tak właśnie się nie stanie. Geomateriały, przez swoją naturalność, coraz częściej i w coraz większym stopniu będą użytkowane przez człowieka. Nawet przetworzone, pozostaną naturalne. Wynika to w dużej mierze z tendencji proekologicznych, wyznaczanych choćby przez geosyntetyki. Taka moda staje się powoli obowiązująca. To nic złego. Jak przewidują moi rozmówcy, dzięki geomateriałom życie będzie tańsze, a już na pewno łatwiejsze. Każdy przecież chce żyć w zgodzie z naturą.