Airbagy sú dnes bežnou výbavou automobilov. Už viac ako 60 rokov uplynulo odvtedy, ako v roku 1952 Americký patentový úrad airbag zaevidoval.
Airbag, ktorý sa aj označuje skratkou ACRS (Air Cushion Restraint System; voľne preložené – vzduchový vankúšový tlmiaci systém), je jedným z mnohých príkladov takých technických riešení, ktoré sa zdajú byť na prvý pohľad veľmi jednoduché. Až ich zlyhanie dokazuje, že to tak nie je. Svedčí o tom obrovská kauza japonskej firmy Takata, ktorej airbagy boli v desiatkach typov áut rôznych svetových výrobcov. Nájdeme ich v automobiloch známych značiek Toyota, BMW, Fiat Chrysler, Ford, General Motors, Honda či Mazda. Tieto airbagy zranili viac ako sto ľudí, pričom niekoľko z nich zraneniu podľahlo. Naším cieľom nie je zaoberať sa príčinami zlyhania airbagov, ale pozrieť sa na technické riešenie tohto veľmi užitočného zariadenia.
Ako to funguje?
Úlohou airbagov je ochrana šoféra či spolujazdcov pred následkami takých zranení, ktoré vyplývajú z nemožnosti fixácie hlavy.
Prvou časťou ACRS je elektronický senzor, snímajúci rýchlosť spomalenia auta.
Väčšinou sa nesledujú priamo zmeny rýchlosti vozidla, ale rýchlosti telieska, voľne uloženého napríklad v trubici. Druhou možnosťou je zistenie sily, ktorá toto teliesko pritláča na prednú stranu trubice. Možných riešení je však viacero. Senzor sa elektrickým obvodom spája s ďalšou časťou, ktorej úlohou je naplniť samotný nylonový nafukovací vak plynom. Vak obsahuje niekoľko malých otvorov, cez ne môže plyn po náraze auta rýchle uniknúť. To umožňuje, aby vodič po nehode mohol vozidlo rýchlo opustiť.
Elektronický systém tohto zariadenia je nastavený tak, aby sa inicioval iba pri spomaleniach auta nad hranicou bežného brzdenia. Samozrejme, ide o zjednodušený popis základného princípu ACRS. Súčasné elektronické jednotky rozhodujúce o aktivizácii zariadenia sú totiž omnoho komplikovanejšie. Neobmedzujú sa totiž len na zmenu rýchlosti auta pri čelnom náraze, ale aj pri bočných nárazoch. Preto sú súčasťou monitorovacích jednotiek gyroskopy. Zvyčajne však obsahujú tiež iné senzory.
Plnenie plynom
Zastavme sa však pri spôsoboch, akými sa zabezpečuje plnenie nylonového vaku. Všetky riešenia musia splniť hlavnú úlohu, a tou je v prípade potreby priam bleskové naplnenie vaku v presne stanovenom okamihu. Znamená to, že naplnenie nielenže nesmie meškať, ale ani nesmie byť predčasné. Obe odchýlky by mali tragické následky. Rýchlosť plnenia vakov je skutočne impozantná: asi 10 až 30 milisekúnd, čo znamená, že celkové oneskorenie vzhľadom na začiatočný okamih nárazu je približne 70 milisekúnd.
Ďalšou podmienkou je primeraná veľkosť tlaku plynu, aby vodičovi nespôsobil zranenia. Posledná požiadavka súvisí so zdravotnými rizikami, ktoré môže spôsobovať plniaci plyn. Ide o to, aby tento plyn, prípadne ďalšie zložky vychádzajúce z airbagu, poškodzovali zdravie čo najmenej. Aj napriek názvom airbag či Air Cushion Restraint System vzduch nie je ten plyn, ktorým sa vak plní.
Vo všeobecnosti existujú dva spôsoby, ako ho naplniť. Prvou možnosťou je plniť ho zo zásobnej tlakovej nádoby. V takom prípade plniacim plynom skutočne môže byť vzduch, ale používa sa aj dusík, argón, oxid uhličitý, v minulosti tiež freón. Pri tomto spôsobe plnenia však treba zvládnuť nie celkom jednoduchú úlohu – veľmi rýchlo otvoriť dostatočne široké spojenie medzi tlakovou nádobou a vakom. Inými slovami, nestačí, ak plyn bude napĺňať vak niekoľko sekúnd, musí to ísť oveľa rýchlejšie. Preto sa táto úloha zvyčajne rieši tzv. pyrotechnickým ventilom; ten odblokuje uzáver tlakovej nádoby odpálením malej explozívnej nálože. Ventil však možno použiť len raz.
Povolené výbušniny v autách
Druhý a v súčasnosti najrozšírenejší spôsob plnenia airbagov využíva explozívnu reakciu. Pripomeňme, že explozívnymi reakciami sa zvyčajne označuje taký typ veľmi rýchlych reakcií, pri ktorých výrazne narastá objem ich produktov (oproti objemu pred explóziou). Na príčine je skupenstvo: tuhé alebo kvapalné, pričom aspoň jeden z produktov je plynný. Zvýšenie teploty (ide o exotermické reakcie, pri ktorých sa uvoľňuje teplota) výrazne zvyšuje objem plynných produktov. Podnet k explózii na naplnenie airbagu dáva krátky elektrický impulz. Výbušnú náplň v kazetách pod volantom tvoria rôzne anorganické alebo organické látky s veľkým obsahom dusíka a či kyslíka. Môžu sa použiť samostatne alebo v kombinácii, napríklad zmes horiacej látky a látky poskytujúcej kyslík. Ďalšími zložkami môžu byť rôzne prídavné látky, ktoré buď viažu niektorý z nebezpečných produktov explozívnej reakcie, alebo nejakým spôsobom ovplyvňujú rýchlosť explózie. Priebeh explozívnej reakcie je najkritickejšou fázou celého systému ACRS. Nezávisí totiž len od chemickej povahy látok v náplni a ich chemickej stability, ale aj od ich formy, napríklad od veľkosti a tvaru častíc, spôsobu ich dávkovania, od vnútorného tvaru a objemu kazety či od iných faktorov.
Uvedené princípy získavania plynu na tlmenie prudkých nárazov sa však neobmedzujú len na autá, ale využívajú sa aj v leteckom, vojenskom a kozmickom priemysle. Asi najzaujímavejším príkladom využitia airbagov v mimozemských misiách bolo tlmenie nárazu pri pristávaní približne 100 kg vážiaceho sovietskeho kozmického modulu na Mesiaci v roku 1966, ktorý ako prvý vyslal na Zem údaje obsahujúce fotografie povrchu tejto planéty. Najväčší airbag sa však použil pri pristátí robotického vozíka Mars Pathfinder v roku 1997.
Možné nepríjemnosti
Vnútorný priestor auta po explózii výbušnej náplne určite nepripomína vôňu kozmetického salóna. Je totiž znečistený rôznymi plynmi, obsahujúce vo väčšej alebo menšej miere aj produkty neúplnej oxidácie zložiek náplne. Pridávajú sa k tomu tiež rôzne prachové častice, ktoré sú súčasťou explozívnej náplne alebo slúžia ako lubrikant v samotnom airbagu. Iste, tieto zvyšky po explózii nie sú veľmi príjemné, no treba si uvedomiť, že ide o život zachraňujúce riešenia.
Ako príklad veľmi nepríjemnej látky z minulosti možno uviesť aerosólové častice žieravého hydroxidu sodného, ktorý vznikal po rozklade azidu sodného, keď reagoval s molekulami vody zo vzduchu. Samotný azid sodný (NaN3) je veľmi toxická látka a na zníženie obsahu hydroxidu sodného bolo nevyhnutné k nemu pridávať napríklad dusičnan draselný a jemnozrnný oxid kremičitý. Viazali totiž sodík v podobe menej nebezpečných látok. Azid sodný sa v automobilových airbagoch používal do roku 1990.
Firma Takata používala v explozívnych náplniach dusičnan amónny (NH4NO3). Je to biela kryštalická látka používaná najmä ako dusíkaté hnojivo, pričom je zároveň súčasťou niektorých výbušnín. Najčastejšie sa interpretuje výsledok vyšetrovacieho tímu zaoberajúceho sa zlyhaním airbagov tak, že na vine bola nestabilita tejto látky. No na vysvetlenie treba poznamenať, že stabilita, resp. nestabilita látok je veľmi široký pojem a môže znamenať takmer čokoľvek. Napríklad zmenu ich zloženia v priebehu 15 sekúnd, 15 dní, 15 rokov alebo aj 150 00 rokov (pri geologických zmenách). Spomenutá látka je v bežných podmienkach viac stálou látkou, navyše je veľmi odolná proti mechanickému namáhaniu, ktoré pri výbušninách často vedie k nechcenej explózii. Stáva sa však veľmi nebezpečnou v kombinácii s inými látkami. Paradoxne túto zmes môže doviesť k explózii malé množstvo vody. Dusičnan amónny, podobne ako mnohé iné látky, je schopný zo vzduchu viazať malé množstvo vody. Pravdepodobnejšie však je, že to skôr viedlo k nepredpovedateľnému správaniu sa výbušnej zmesi.
Nešťastné explózie airbagov mali zrejme niekoľko rôznych, navzájom súvisiacich príčin a ich hľadanie trvalo niekoľko rokov. Hlavným dôvodom, prečo vyšetrovanie trvalo tak dlho, je ich množstvo: poruchové airbagy tvorili v porovnaní s bezporuchovými iba nepatrnú časť.
prof. Ing. Karol Jesenák, PhD.
Prírodovedecká fakulta UK v Bratislave
Foto wikipédia, Bosch, Mercedes-Benz, Takata
