English version
Omezení emisí skleníkových plynů a zpomalení globálního oteplování patří v současné době k hlavním úkolům průmyslových firem. Pomoci jim v tom mohou i nanotechnologie. Ty se uplatňují v různých oborech. Výrazným přínosem se může stát například přidávání wolframových nanočástic do aditiv a maziv.
„Využitím nanočástic wolframu se věnujeme už několik let, ale nechtěli jsme nic uspěchat. Proto jsme víc testovali, než propagovali,“ vysvětluje Milan Štelcl, technický ředitel společnosti Nanotech-Europe. Při použití této technologie dochází ve strojírenských procesech ke snižování koeficientu tření, snižuje se opotřebení nástrojů při vrtání, frézování či obrábění a zvyšuje se kvalita vytvářených povrchů.
Málo známý zdroj emisí
Při aplikaci maziv s nanočásticemi do strojů dochází k prodloužení životnosti a servisních intervalů. Významný je i příspěvek výrobku k emisím skleníkových plynů. Tření totiž způsobuje asi 23 procent celkové světové spotřeby energie, z čehož 20 procent tvoří energie použitá k překonávání tření a 3 procenta připadají na repasování opotřebovaných dílů či jejich nahrazování. Využitím výhod nových povrchových, materiálových a mazacích technologií pro snížení tření a lepší ochrany proti opotřebení ve vozidlech, strojích a dalších zařízeních po celém světě by mohlo dojít ke snížení energetických ztrát vyvolaných třením a opotřebením v krátkodobém horizontu 8 let asi o 18 procent a v dlouhodobém výhledu 15 let až o 40 procent.
V minulých letech Nanotech-Europe prováděla testy a laboratorní zkoušky v mnoha českých firmách i výzkumných organizacích a univerzitách. Výsledky byly tak překvapivé, že v některých případech musely být zkoušky opakovány, protože získaná data byla až neuvěřitelně pozitivní. „Jedním z příkladů může být test průmyslové převodovky, který proběhl ve společnosti TAJMAC-ZPS , při maximální zátěži po dobu 30 dní. Na posledních sedm dní testu bylo odpojeno chlazení převodovky a nastaveny konstantně maximální otáčky,“ popisuje Milan Štelcl.
Mazání převodovky bylo zajištěno olejovou mlhou s přísadou nanočástic. „Očekávali jsme, že tyto extrémní podmínky způsobí brzkou destrukci převodovky. K tomu nedošlo a detailní analýza prokázala, že opotřebení zubů ozubených kol a ložisek se rovná krátkému až mírnému záběhu převodovky,“ dodal Milan Štelcl.
Malé Slunce
Do vývoje dalších nanotechnologií, které mohou přispět k omezení skleníkových plynů, se pouštějí také české vědecké instituce. Mezinárodní tým vědců vedený výzkumníky z Českého institutu výzkumu a pokročilých technologií (CATRIN) Univerzity Palackého vyvinul ve spolupráci s americkými, německými a italskými kolegy ultramalé a vysoce účinné solární pece, které lze využít například pro odstranění toxických plynů, odsolování mořské vody, jako generátory páry či chemické reaktory pro výrobu nanomateriálů.
Nanopece o průměru několika desítek nanometrů lze vyrobit ve formě tenkých filmů či panelů a přeměnou sluneční energie v nich dosáhnout teploty až 600 stupňů Celsia. Výsledky unikátní technologie, kterou autorský tým chrání mezinárodní patentovou přihláškou, publikovaly časopisy Nano Letters a Nano Energy.
Výzkumníci využili schopnosti některých kovových nanočástic vytvářet velké množství tepelné energie po ozáření světlem vhodné vlnové délky. „Podstatou naší technologie jsou nanotrubice z nitridu titanu, které mají podobné termoplasmonické vlastnosti jako nanočástice zlata, jsou ovšem přibližně čtyřicetkrát levnější. Vykazují navíc velkou teplotní stabilitu a mají cylindrický tvar předurčený pro využití jako nanopece nebo chemické reaktory. Vyvinutá technologie umožňuje rychlý převod do průmyslového měřítka a výrobu filmů či panelů osazených miliardami hustě uspořádaných nanopecí,“ řekl hlavní autor projektu Alberto Naldoni z CATRIN.
Vysoká účinnost
Tým olomouckých vědců dokázal uvnitř nanopecí experimentálně prokázat teplotu až 600 stupňů Celsia. Tyto výsledky potvrdily relativně nízké ztráty při přeměně sluneční energie na tepelnou, což dokládají i teoretické simulace spoluautorů z Purdue university v USA a Polytechnic University v italském Miláně.
„Ve srovnání s komerčními systémy pro přeměnu sluneční energie na teplo, jako jsou například solární věže, náš přístup dovoluje dosáhnout mimořádně vysokých teplot při mnohem nižších požadavcích na zacílení slunečního svazku, což je významný technologický i ekonomický aspekt. Stávající komerční technologie navíc vyžadují o jeden až dva řády vyšší energii ozařování. To jsou hlavní důvody, proč jsme se rozhodli technologii patentovat,“ doplnil Štěpán Kment, vedoucí skupiny Fotoelektrochemie v CATRIN, který působí také na VŠB – Technické univerzitě Ostrava.
Plazma je technologií budoucnosti. Může vyčistit vodu i odstranit nebezpečné odpady
Díky vysoké účinnosti přeměny sluneční energie, která dosahuje až 68 procent, nízkým výrobním nákladům i energetickým nárokům se nabízí využití solárních nanopecí především v oblasti obnovitelné elektřiny a pokročilých materiálů pro solární energetiku. Čeští výzkumníci ale studují také další aplikace.
Zdroj odsolování vody
„Na vnitřní stěny nanopecí lze poměrně snadno umístit katalyzátory – tedy jakési urychlovače chemických reakcí. Prokázali jsme například vysokou efektivitu solární teplotní přeměny jedovatého oxidu uhelnatého s využitím nanočástic rhodia. Nanopece navíc mohou sloužit jako ojedinělý chemický nanoreaktor, kde lze provádět solárně indukované chemické reakce s unikátním rozložením a řízením teploty a připravovat tak zcela nové materiály,“ naznačil aplikační potenciál solárních nanopecí Radek Zbořil z olomouckého ústavu CATRIN.
V nedávné práci v časopise Nano Energy autorský tým prokázal také mimořádnou účinnost nanopecí jako solárních generátorů vodní páry. „To umožňuje testovat vyvinuté nanosystémy například v nových technologiích odsolování mořské vody. Vysokou účinnost i rychlost odpařování v takovém solárním reaktoru lze v kombinaci s následnou kondenzací páry využít i v moderních technologiích čištění vod a odstraňování rozpuštěných toxických látek. Prostor se otevírá především u některých obtížně odstranitelných polutantů,“ uzavřel první autor práce Luca Mascareti z CATRIN.
Nátěr proti emisím
Další českou nanotechnologii účinnou v boji s klimatickými změnami propagovalo před časem české velvyslanectví v kanadské Ottawě. To nechalo svoji budovu ošetřit fotokatalytickým nátěrem FN Nano, který pomáhá snižovat emise skleníkových plynů a také zabraňuje šíření koronaviru Covid-19.
Po českých ambasádách v Londýně, Budapešti a Washingtonu se stalo velvyslanectví v Ottawě další českou misí, která využívá inovativní nanotechnologii vyvinutou českou společností Advanced Materials-JTJ. Samočistící nátěr bude po mnoho let chránit budovu před usazováním prachu, plísní a jiných nečistot rozptýlených ve vzduchu. Takto ošetřené stěny navíc vyčistí vzduch od emisí výfukových plynů generovaných až osmi vozidly, tedy všemi osobními automobily používanými zaměstnanci velvyslanectví. Díky této technologii je nyní velvyslanectví uhlíkově neutrální, a proto pomáhá bojovat proti změně klimatu.
Nano nátěr byla použit také v interiérech budovy, kde účinně zachycuje vzdušné viry a bakterie a následně je díky fotokatalýze eliminuje a čistí tak vzduch v místnosti. Použitím této technologie je možné účinně zvýšit ochranu lidí v interiérech nejen před přenosem koronaviru Covid-19, ale také před dalšími virovými a bakteriálními infekcemi.
Baterie i letecké motory
Podle společnosti Advanced Materials-JTJ vyčistí plocha 1 metru čtverečního ošetřená nanonátěrem každoročně tři miliony krychlové vzduchu. Za den stejně velká plocha vyčistí tolik vzduchu, kolik potřebuje jeden člověk na jeden rok. Patnáct metrů čtverečních navíc vyčistí vzduch od tolika škodlivin, které vyprodukuje osobní dieselový automobil za jeho celou životnost.
Za vývojem inovativního materiálu stojí český vynálezce Jan Procházka, který pracuje na využití nanometeriálů také v dalších oblastech, kde by měly mít pozitivní vliv na omezení emisí skleníkových plynů, a to především v energetice a dopravě. Jde především o projekt baterií HE3DA s unikátní nanostrukturou nebo projektu EnoEma, který má zvýšit úspornost leteckých motorů.
Dalibor Dostál
