3D drukowane kompozyty o charakterystyce niewzajemnej do pozyskiwania energii odpadowej, 3D-FreeERC (3D printed Free-Energy Reclaiming nonreciprocal Composites)

3D drukowane kompozyty do pozyskiwania energii odpadowej

Dr hab. inż. Marcin Słoma, prof. uczelni z Wydziału Mechatroniki Politechniki Warszawskiej realizuje unikatowy projekt badawczy, którego celem jest opracowanie innowacyjnych metamateriałów i metastruktur 3D do pozyskiwania energii odpadowej z otoczenia. Projekt koncentruje się na trzech głównych źródłach strat energetycznych: cieple, drganiach mechanicznych oraz smogu elektromagnetycznym (tzw. smogu elektromagnetycznym). Wykorzystując nowatorskie kompozyty termoelektryczne, piezo- i triboelektryczne oraz specjalne anteny wychwytujące fale elektromagnetyczne, zespół z Warszawy pracuje nad rozwiązaniami, dzięki którym możliwe będzie przekształcanie tych strat w energię elektryczną. Badania te są finansowane z programu Fundusze Europejskie dla Nowoczesnej Gospodarki 2021-2027 (FENG), w działaniu FIRST TEAM, realizowanym przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej.

Każdego dnia otaczają nas ogromne ilości energii, którą bezpowrotnie tracimy – w postaci ciepła, hałasu, drgań mechanicznych czy fal elektromagnetycznych. „Energię tracimy, ogrzewając domy, ponieważ nigdy nie zaizolujemy ich w 100%, więc ciepło ucieka do otoczenia przez ściany, okna i dachy. Każdy most, samochód czy fabryka generuje hałas lub mechaniczne wibracje, które rozpraszają się w otoczeniu, i które także są rodzajem energii. I wreszcie energią jest smog elektromagnetyczny, czyli m.in. fale radiowe, Wi-Fi czy Bluetooth, które bezustannie są rozsiewane wokół nas i rozchodzą się w przestrzeni niemal bezużytecznie. Nasz projekt zakłada więc stworzenie takich materiałów i struktur, które będą w stanie te niewidzialne strumienie energii wychwycić i przekształcić na energię elektryczną” – mówi dr hab. inż. Marcin Słoma, prof. PW.

Naukowcy pracują nad trzema rodzajami takich materiałów, odpowiadającymi trzem źródłom energii. Są to: materiały termoelektryczne, które wykorzystując różnicę temperatur (np. między wnętrzem a elewacją budynku), są w stanie wygenerować prąd; kompozyty piezo- i triboelektryczne, które zbierają energię z drgań, odkształceń i tarcia, np. z ruchu pojazdów po moście; oraz specjalne anteny odbierające z otoczenia rozproszone promieniowanie elektromagnetyczne i zamieniające je w prąd elektryczny. Opracowywane materiały kompozytowe będą dostosowane do technologii druku 3D, a co więcej będą to tzw. metamateriały i metastruktur posiadające specjalne właściwości i mikrogeometrię, wzmacniającą efektywność odzysku energii.

„W naszym projekcie kluczowa jest mikrogeometria 3D drukowanych elementów, inaczej zwana metastrukturą, zapewniająca potęgowanie efektu zbierania energii dzięki kontrolowanemu przepływowi energii. Obrazowym przykładem takiego rozwiązania jest tzw. dioda cieplna czyli struktura, która sprawia, że ciepło przepływa tylko w jedną stronę, maksymalizując efektywność przetwarzania różnicy temperatur na energię elektryczną. Podobnie – dioda akustyczna, która ukierunkowuje drgania, wzmacniając je i pozwalając efektywniej odzyskiwać energię mechaniczną” – dodaje prof. Marcin Słoma.

W jaki sposób będzie można wykorzystać odzyskaną energię? „Prąd wytworzony z odzyskanej energii nie będzie wystarczający do tego, aby zasilić duże urządzenia, takie jak telewizor czy laptop, ale idealnie nadaje się do stworzenia samowystarczalnych, bezbateryjnych sieci czujników – tzw. systemów rozproszonych. Takie sieci mogą posłużyć np. do monitorowania stanu mostów i dróg (czujniki drgań mogą ostrzegać przed niebezpiecznymi deformacjami), jakości powietrza czy natężenia hałasu w miastach. Zasilane energią odpadową czujniki mogą znaleźć zastosowanie także w inteligentnym rolnictwie, np. do monitowania stanu nawodnienia upraw albo stężenia pestycydów, co przyniesie oszczędności finansowe i zmniejszy negatywny wpływ na środowisko. Kolejny przykład wykorzystania tego typu czujników to telemedycyna, czyli stałe, zdalne monitorowanie stanu zdrowia pacjentów przebywających w swoich domach” – wyjaśnia naukowiec.

Dr hab. inż. Marcin Słoma stopień doktora i habilitację uzyskał na Politechnice Warszawskiej. Jego praca doktorska koncentrowała się na zastosowaniu nanorurek węglowych w elektronice drukowanej, natomiast rozprawa habilitacyjna na szerszych zastosowaniach nanomateriałów węglowych w technologii elektronicznej. Odbył staże naukowe w takich jednostkach jak Uniwersytet Oulu w Finlandii, Uniwersytet Cranfield w Wielkiej Brytanii i Uniwersytet Stanforda w USA. Na Wydziale Mechatroniki Politechniki Warszawskiej, jako laureat grantu FIRST TEAM POIR Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, kierował grupą badawczą 3WELES opracowującą funkcjonalne materiały kompozytowe dla elektroniki strukturalnej. Autor ponad 50 artykułów naukowych w czasopismach z listy JCR i ponad 60 innych artykułów recenzowanych, wystąpień i materiałów konferencyjnych, recenzent w kilkunastu międzynarodowych czasopismach naukowych, współautor 11patentów krajowych i międzynarodowych, a także autor monografii „Additive manufacturingof structural electronics” będącej efektem projektu 3WELES.