13 kwietnia 2021

Napięcie związane z… innowacyjnością

Prąd elektryczny jest w naszej rzeczywistości tak wszechobecny, że nie wyobrażamy sobie życia bez niego. W domu znajduje się wiele urządzeń elektrycznych. Każde należy zasilić prądem – ale skąd go wziąć?

Na czym polega innowacyjność Państwa projektu?

Nasz projekt – mówi dr inż. Rafał Mech – zakłada opracowanie nowych materiałów kompozytowych opartych na cząsteczkach materiału o gigantycznej magnetostrykcji i struktur nanokrystalicznych o polepszonej indukcji magnetycznej do wykorzystania w obszarze odzyskiwania i zamiany energii mechanicznej na elektryczną (tzw. Energy Harvesting). Taki opis projektu na pewno może przyprawić niejedną osobę o ból głowy. Precyzując, chcemy w ramach projektu opracować nowy materiał, który pozwoli zamienić energię mechaniczną na energię elektryczną. Aby łatwiej to sobie wyobrazić, ma to miejsce w przypadku materiałów piezoelektrycznych, powszechnie znanych z zapalniczek.

Innowacją w naszym projekcie jest właśnie ten nowo opracowywany materiał. Znalezienie nowych składów materiałów amorficznych lub nanokrystalicznych o polepszonych właściwościach magnetycznych stanowi obecnie duże wyzwanie. Dzieje się tak ponieważ materiały o składach zwierających trzy lub cztery składniki stopowe są dobrze poznane. Dodatkowo składy tych materiałów są chronione prawem patentowym lub licencjami, więc dostęp do nich jest ograniczony i kosztowny. W ramach projektu zaplanowaliśmy opracowanie i wytworzenie zupełnie nowego materiału, składającego się z przynajmniej sześciu składników stopowych, co obecnie stanowi rzadkość w prowadzonych pracach badawczych. Takie podejście świadczy o innowacyjności naszego projektu. Wytworzenie materiału o określonych cechach z dużej ilości elementów nie należy do rzeczy łatwych. Każdy ze składników stopowych wpływa na materiał. Już niewielkie zmiany w ilości każdego z dodatków mogą diametralnie wpłynąć na jego właściwości i zmienić: lepkość, gęstość, przewodnictwo cieplne czy właściwości magnetyczne.

W kolejnym etapie projektu, na bazie nowo otrzymanego produktu chcemy opracować materiał kompozytowy, w którym podstawę stanowi materiał magnetostrykcyjny, jednak wprowadzimy do niego właśnie ten nowo opracowany stop. Takie połączenie materiałów, w porównaniu z dotychczas znanymi, powinno pozwolić na poprawienie sprawności transformacji energii mechanicznej w postaci wibracji na użyteczną energię elektryczną.

Jakie niesie możliwości?

Obecnie badacze poszukują materiału, który przy odpowiednich parametrach pozwoli na uzyskanie dużej sprawności przy zmianie energii mechanicznej na elektryczną i umożliwi wykorzystanie tej energii do zasilania różnego typu elementów elektronicznych. Spowodowane jest to głównie minimalizacją kosztów związanych z dostarczaniem energii elektrycznej do odbiorników w tradycyjny sposób, czyli za pomocą przewodów. Ma to na celu ograniczenie pojemności baterii litowo-jonowych, które są powszechnie stosowane nie tylko w laptopach, ale i elektronarzędziach, odkurzaczach, dronach, a nawet samochodach. Trzeba zauważyć, że otaczający nas świat jest coraz bardziej przepełniony różnego rodzaju urządzeniami elektrycznymi, z którymi w niektórych przypadkach obcujemy 24 godziny na dobę.

W ciągu ostatnich kilku dekad gwałtownie rozwinęła się technika urządzeń bezprzewodowych oraz mobilnych. Postępy w tej dziedzinie pozwoliły zmniejszyć zapotrzebowanie na moc sieci czujników bezprzewodowych do zaledwie kilkudziesięciu miliwatów. Dla takich poziomów mocy baterie elektrochemiczne, które są w stanie zapewnić gęstość energii rzędu kilkuset mWh mogą pracować tylko przez krótki czas. Przez znaczne zmniejszenie się urządzeń bezprzewodowych zmniejszyły się także baterie.

Gdy urządzenie musi pracować przez dłuższy czas należy doładować baterię lub ją wymienić co wiąże się z degradacją z powodu tzw. “efektu pamięci”. Obecnie producenci w pewnym stopniu uporali się z tą wadą baterii. Najważniejsze technologie stojące za urządzeniami przenośnymi, w tym mikroprocesory, pamięć podręczna, czy dysk twardy uległy znacznemu rozwojowi i ulepszeniu zgodnie z prawem Moore’a. Niestety postępy w badaniach nad bateriami, a w szczególności wzrost gęstości zmagazynowanej w nich energii, od kilku lat nie nadąża za pozostałymi elementami elektronicznymi. Dopiero od zaledwie dwóch lat widać jakiś progres w tym obszarze. Alternatywą dla konwencjonalnych baterii mogą być urządzenia i materiały pozwalające na odzyskiwanie energii z zewnętrznych źródeł takich jak: energia cieplna, energia słoneczna, energia mechaniczna, które w niektórych przypadkach mogą zastępować baterie.

W początkowej fazie projektu był on dedykowany podmiotom związanym z monitorowaniem stanu konstrukcji, ang. Structural Health Monitoring (SHM). W tym obszarze wymagana jest instalacja sporej ilości czujników w newralgicznych punktach konstrukcji, aby gromadzić dane o potencjalnych stanach zagrożenia. W tradycyjnym rozwiązaniu systemy te są zasilane za pomocą przewodów lub baterii litowo-jonowych. Największą wadą takich sposobów zasilania jest ich duży koszt. W przypadku korzystania ze źródeł energii znajdujących się bezpośrednio na konstrukcji takie koszty mogłyby być ograniczone nawet o 40%. Trzeba mieć na uwadze, że wiele z takich konstrukcji jest w ciągłym ruchu i oscyluje pod wpływem różnych obciążeń. Takie działania wywołują wibracje, które mogłyby zostać wykorzystane w przypadku naszego materiału do wytworzenia energii elektrycznej, pozwalającej zasilić czujniki w miejscu ich zainstalowania, bez potrzeby ich dalszej obsługi przez wiele lat.

Podczas trwania projektu stwierdziliśmy, że jego wyniki można zaimplementować również w innych gałęziach przemysłu, zaczynając od transportu zarówno drogowego jak i kolejowego, poprzez przemysł precyzyjny, a kończąc na branży medycznej. W branży transportowej urządzenia oparte na nowym materiale, mogłyby być umieszczane bezpośrednio pod powierzchnią drogi, lub pod torami kolejowymi. Dzięki wibracjom generowanym przez przejeżdżające pojazdy będą zasilane urządzenia pomiarowe, monitorujące np. natężenie ruchu, czy nacisk osi. W aplikacjach medycznych odpowiednio zaprogramowane urządzenie mogłoby zasilać różnego rodzaju urządzenia monitorujące stan naszego zdrowia. Do ich zasilania wykorzystywalibyśmy energię własnego ciała, dzięki czemu możliwe byłoby ograniczenie baterii.

Co dotychczas w Pana karierze było największym wyzwaniem i zarazem największym sukcesem?

Każdy kolejny krok ścieżki naukowej był i nadal jest dla mnie dużym wyzwaniem. Ciągle staram się szukać nowych obszarów, w których mógłbym się realizować. Na pewno jednym z takich dużych wyzwań jest obecnie prowadzony przeze mnie projekt, ponieważ wymaga on ode mnie zdobycia i nauczenia się zupełnie nowego zestawu umiejętności. Do tej pory głównie realizowałem się jako naukowiec i mogłem w całości skupiać się na pracy badawczej. Obecnie muszę dużo bardziej wcielać się w rolę managera, czy psychologa, przy czym nie mogę zapominać o części naukowej. Jednocześnie wydaje mi się, ze projekt ten mogę uznać, za jeden z moich największych sukcesów. Udało mi się otrzymać finansowanie, co oznacza, że dostrzeżono potencjał mojej pracy badawczej.

Projekt Lider IX nr LIDER/21/0082/L-9/17/NCBR/2018 pn.: „Kompozytowe materiały magnetostrykcyjno-nanokrystaliczne do zastosowania w obszarze odzyskiwania i transformacji energii” jest finansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju

-Augustyna Szczepańczyk