Δρ. Εύα Ζαρκαδούλα: Νέα υλικά για την ενέργεια του μέλλοντος

Η Εύα μελετά τη συμπεριφορά των υλικών στις ακραίες συνθήκες που επικρατούν στο εσωτερικό πυρηνικών αντιδραστήρων.

Η Δρ. Εύα Ζαρκαδούλα είναι φυσικός και μέλος του ερευνητικού και επιστημονικού προσωπικού του Εθνικού Εργαστηρίου Oak Ridge (ORNL) στο Oak Ridge του Τενεσί (ΗΠΑ). Μεγαλωμένη στην Καισαριανή, σπούδασε Φυσική στην Αθήνα και συνέχισε σε διδακτορικό επίπεδο στην Αγγλία, στο Queen Mary University of London. Το 2014 μετακόμισε στις ΗΠΑ για να εργαστεί στο Τμήμα Επιστήμης και Τεχνολογίας Υλικών του ORNL. Μέσω της έρευνάς της, η Δρ. Ζαρκαδούλα προσπαθεί να κατανοήσει τα μυστήρια των υλικών, και πιο συγκεκριμένα τη συμπεριφορά των υλικών στο εσωτερικό πυρηνικών αντιδραστήρων και έτσι, να συμβάλλει στην ενεργειακή μετάβαση σε πράσινες μορφές ενέργειας. Στο Greek Women in STEM μας μιλάει για τη δουλειά και τη ζωή της στο Τενεσί και το ORNL. 

Μπορείς να μας πεις δυο λόγια για το ερευνητικό σου πεδίο και τους κύριους άξονες της δουλειάς σου; 

Είμαι φυσικός και δουλεύω στον τομέα της επιστήμης των υλικών. Μέχρι τώρα έχω ασχοληθεί κυρίως με τη συμπεριφορά των υλικών σε ακραίες συνθήκες και με τις αλληλεπιδράσεις ιόντων και ύλης. Οι μελέτες αυτές μπορεί να έχουν διάφορες πρακτικές εφαρμογές, για παράδειγμα στον σχεδιασμό νέων υλικών, σε πυρηνικά περιβάλλοντα ή ως ημιαγωγοί. Παράλληλα, έχω ερευνήσει πώς η μικροδομή των κραμάτων επηρεάζει τις μηχανικές τους ιδιότητες (σκληρότητα, αντοχή). Τέλος, μελετώ τη συμπεριφορά και τις ιδιότητες των υγρών και μεταλλικών γυαλιών σε επίπεδο ατόμων. Αυτή η σε βάθος κατανόηση της συμπεριφοράς και μικροδομής των διάφορων υλικών είναι απαραίτητη για να μπορέσουμε να ελέγξουμε το πώς τα υλικά αυτά θα επιτελέσουν το σκοπό τους στις διάφορες εφαρμογές τους, ώστε να αναπτύξουμε υλικά με βελτιωμένα χαρακτηριστικά.  

Η πρόσφατη έρευνά σου περιλαμβάνει τη μελέτη πιεζοηλεκτρικών υλικών. Τι είναι αυτά τα υλικά και γιατί τα χρειαζόμαστε;  

Πιεζοηλεκτρικά είναι εκείνα τα υλικά που έχουν την ιδιότητα να μετατρέπουν την πίεση ή άλλου είδους δύναμη που τους ασκείται σε ηλεκτρικό φορτίο. Τα υλικά αυτά μπορεί να είναι κρύσταλλοι, όπως ο χαλαζίας, κεραμικά, όπως το νιτρίδιο του αλουμινίου (ΑΙΝ), ή πολυμερή όπως το πολυβινυλικό φθορίδιο (PVDF). Το ζαχαροκάλαμο είναι επίσης ένα από τα πιο κοινά πιεζοηλεκτρικά υλικά! 

Τα πιεζοηλεκτρικά υλικά χρησιμοποιούνται ευρέως σε συσκευές και εφαρμογές αισθητήρων, όπως οι συναγερμοί πυρκαγιάς, ανιχνευτές μονοξειδίου του άνθρακα και αισθητήρες σε σταθμούς παραγωγής πυρηνικής ενέργειας. Στους αισθητήρες αυτούς, αλλαγές στην πίεση και τη θερμοκρασία ή βλάβες λόγω ακτινοβολίας αλλάζουν τη μικροδομή του πιεζοηλεκτρικού υλικού και παράγουν ηλεκτρικό φορτίο. Το φορτίο αυτό συλλέγεται με ηλεκτρικά κυκλώματα και είτε θέτει σε λειτουργία συναγερμό, είτε αναλύεται από ειδικό λογισμικό. 

Πρόσφατα δημοσίευσες μια μελέτη για τις βλάβες που η ακτινοβολία προκαλεί σε αισθητήρες πυρηνικών αντιδραστήρων. Μπορείς να μας δώσεις κάποιες λεπτομέρειες για της έρευνα αυτή; Τι μελετήσατε ακριβώς και γιατί;   

Οι πιεζοηλεκτρικοί αισθητήρες σε περιβάλλοντα πυρηνικών αντιδραστήρων υφίστανται ακραίες θερμοκρασίες, πολύ υψηλές δυνάμεις και άφθονη ακτινοβολία. Οι ακραίες αυτές συνθήκες προκαλούν βλάβες στους αισθητήρες και μειώνουν τη λειτουργικότητά τους, με αποτέλεσμα να χρειάζονται αντικατάσταση, κάτι που είναι ακριβό και χρονοβόρο. Στη μελέτη μας λοιπόν προσπαθήσαμε να καταλάβουμε καλύτερα πώς ακριβώς οι βλάβες στα υλικά των αισθητήρων επηρεάζουν τη λειτουργικότητά τους και να εξερευνήσουμε αν υλικά με αλλαγμένη σύσταση ανταπεξέρχονται καλύτερα στις συνθήκες αυτές χωρίς να χάνουν τη λειτουργικότητά τους. 

Για να το πετύχουμε, χρησιμοποιήσαμε έναν συνδυασμό πειραμάτων και μοντέλων. Για το πειραματικό κομμάτι χρησιμοποιήσαμε ιονίζουσα ακτινοβολία και αναλύσαμε τις βλάβες που η ακτινοβολία αυτή προκάλεσε στα δείγματα υλικών (με τυπική και νέα σύσταση), αλλά και την πιεζοηλεκτρική απόκριση των υλικών. Επιπροσθέτως, για να κατανοήσουμε τη συμπεριφορά αυτή των υλικών σε μικροκλίμακες που δεν είναι διαθέσιμες προς άμεση παρατήρηση σε ένα πείραμα, αναπτύξαμε μοντέλα για τη συμπεριφορά των υλικών σε ατομική κλίμακα, βασισμένα σε δυναμική των μορίων και υπολογισμούς πρώτων αρχών. Τα ευρήματά μας δείχνουν ότι το νιτρίδιο του αλουμινίου (ΑΙΝ), ενδυναμωμένο με σκάνδιο (Sc) είναι ένα σύνθετο υλικό που φαίνεται πολλά υποσχόμενο για να χρησιμοποιηθεί σε αισθητήρες πυρηνικών αντιδραστήρων. 

Ποιες είναι κάποιες πρόσφατες ανακαλύψεις στο επιστημονικό σου πεδίο που θεωρείς πολύ σημαντικές και γιατί; Και τι εξελίξεις θα ήθελες να δεις να προχωράνε περαιτέρω; Σε ποιες θέλεις να συμβάλλεις με την έρευνά σου; 

Ένας τομέας που εξελίσσεται γοργά είναι η πυρηνική ενέργεια. Κάποια παραδείγματα: στο ORNL κατασκευάστηκαν πρόσφατα εξαρτήματα με 3D εκτύπωση και χρησιμοποιήθηκαν στον σταθμό παραγωγής πυρηνικής ενέργειας από τις αρχές του Tennessee Valley στην Αλαμπάμα, η συναρμολόγηση του πρώτου πυρηνικού καυσίμου που είναι 100% ανθεκτικό σε ατυχήματα και ο ισχυρότερος μαγνήτης πυρηνικής σύντηξης στον κόσμο που κατασκευάστηκε στο ΜΙΤ.  

Το μέλλον μας εξαρτάται άμεσα από την εξέλιξη των μη ρυπογόνων μορφών ενέργειας, όπως η ηλιακή, αιολική και πυρηνική. Η ενέργεια που παράγεται από την πυρηνική σύντηξη είναι μια ασφαλής και καθαρή μορφή πυρηνικής ενέργειας. Στη φύση, η πυρηνική σύντηξη συμβαίνει αυθόρμητα μόνο στο εσωτερικό των αστεριών. Το να αναπαράγουμε τις συνθήκες που επικρατούν στο εσωτερικό των άστρων εδώ στη Γη δεν είναι καθόλου εύκολη δουλειά. Προκειμένου να γίνει αυτό, και να κάνουμε τη σύντηξη πραγματικότητα, χρειαζόμαστε βελτιωμένα υλικά που θα μπορούν να αντέξουν τις ακραίες συνθήκες θερμοκρασίας, και όχι μόνο, που απαιτεί η σύντηξη. Στόχος μου είναι να συνεχίσω με την έρευνά μου να συμβάλλω στην εξέλιξη της σύντηξης, μιας που πιστεύω ότι μπορεί να βοηθήσει σημαντικά την ανθρωπότητα. Η διαδικασία αυτή του να καταλαβαίνεις σταδιακά τη συμπεριφορά και την απόκριση των υλικών σε ακραίες συνθήκες είναι για μένα φοβερά ενδιαφέρουσα. 

Εδώ και πολλά χρόνια δουλεύεις στο Εθνικό Εργαστήριο Oak Ridge στο Τενεσί. Πώς ήταν η διαδικασία μετοίκησης στο Τενεσί; Πώς είναι να ζεις και να εργάζεσαι εκεί; 

Η μετακόμιση και ο εγκλιματισμός στο Τενεσί ήταν σαν περιπέτεια, καθώς μαζί με τον σύζυγό μου ανακαλύπταμε σιγά σιγά τις διαφορές από τις χώρες καταγωγής μας. Έχοντας μεγαλώσει στην Αθήνα, και ζήσει για τρία χρόνια στο Λονδίνο, μου πήρε καιρό να συνηθίσω τους πιο αργούς ρυθμούς ζωής μακριά από την πόλη. Γρήγορα όμως ανακάλυψα ξανά την επαφή με τη φύση, καθώς το ανατολικό Τενεσί είναι ένα μέρος γεμάτο πράσινο. Στον δρόμο για τη δουλειά συναντάω ελάφια και άγριες γαλοπούλες και στην αυλή μας μάς επισκέπτονται συχνά πουλιά, σκίουροι και λαγοί. Δε θα ξεχάσω ποτέ το δέος που νιώσαμε με τον άντρα μου όταν διασχίσαμε με το αυτοκίνητο τα Απαλάχια όρη, λίγες εβδομάδες μετά τη μετακόμισή μας. 

Η δουλειά στο Εργαστήριο είναι μια επίσης φοβερή εμπειρία. Πρόκειται για έναν μεγάλο οργανισμό με εγκαταστάσεις τελευταίας τεχνολογίας, που δίνει έμφαση στη συνεργασία και στην ομαδική δουλειά. Αυτό δημιουργεί ένα γόνιμο περιβάλλον για τις ερευνήτριες και τους ερευνητές να μάθουν, να αναπτύξουν διαπροσωπικές και ηγετικές δεξιότητες, και να ανελιχθούν. Εκτός από την έρευνα, στο ORNL είμαι ενεργή σε διάφορες ομάδες, όπως το Συμβούλιο Γυναικείας Συμμαχίας, στο οποίο φέτος τελώ ως πρόεδρος. 

Τι σε βοήθησε στην πορεία σου μέχρι στιγμής και πώς;

Η οικογένειά μου πάντα με υποστήριζε άνευ όρων: τόσο οι γονείς και τα αδέρφια μου, όσο και αργότερα ο άντρας μου. Όλοι τους πιστεύουν σε μένα και πάντα με ενθάρρυναν στις αποφάσεις μου. Επιπλέον, είχα την τύχη να γνωρίσω ανθρώπους με τους οποίους ανέπτυξα ειλικρινείς και ισχυρούς δεσμούς εμπιστοσύνης. Με κάποιους από αυτούς είμαστε ακόμα σε επαφή και ξέρω ότι μπορώ να ζητήσω τη συμβουλή τους. Τέλος, αρχή μου είναι να μη συγκρίνω ποτέ τον εαυτό μου με άλλους. Όπως λέω συχνά, πιστεύω ότι η καθεμία έχει το δικό της, μοναδικό μονοπάτι. 
 

Μπορείτε να έρθετε σε επαφή με την Εύα μέσω LinkedIn.