Revista >> Ianuarie - Februarie 2021 [Nr. 231] >> Cover Story

IMNR, pe drumul tehnologiilor emergente și provocărilor momentului în știința și ingineria materialelor

Toma Roman Jr.

12 Februarie 2021

Energy harvesting este una din cele 87 de tehnologii radicale identificate de Europa (studiul RIBRI) ca fiind de o importanţă majoră pentru viitor, deşi în prezent capacitatea sa e scăzută pe continentul nostru. Cât de importante sunt proiectele şi aplicaţiile de EH pentru progresul industrial şi reţelele globale de valoare, dar şi pentru atingerea obiectivelor green la nivelul politicilor şi strategiilor de Mediu?
Realizarea obiectivelor europene de creștere a eficienței energetice, reducerea emisiilor de CO2 și economia circulară necesită modalități noi de utilizare, recuperare și stocare a energiei. Materialele inteligente și sistemele/structurile materiale au demonstrat deja potențialul de a reduce consumul de energie, precum și de a recupera, genera și stoca energia din diverse medii. Cu toate acestea, implementarea a fost limitată din cauza fiabilității operaționale a materialelor, precum și a problemelor de reciclare și dependență de elemente rare. În plus, problemele legate de costuri sau lipsa unor procese de fabricație eficiente reduc implementarea mai largă a acestor tehnologii. Următorul pas este implementarea acestor tehnologii într-o gamă largă de aplicații comerciale, care permit exploatarea caracteristicilor materialelor inteligente. Deoarece utilizarea materialelor inteligente și evoluțiile în tehnologiile senzorilor sunt dominate de IMM-urile din UE, extinderea potențialului lor de inovare pentru aplicațiile de materiale inteligente este importantă pentru menținerea poziției lor pe piață și are un impact semnificativ în îmbunătățirea competitivității UE.

Tendințele actuale la nivel european în domeniul energy harvesting au în vedere: dezvoltarea de noi materiale și combinații de materiale cu capacități de colectare și stocare a energiei (de exemplu, dispozitive piezoelectrice fără plumb pentru generarea de energie și stocarea energiei componentelor structurale auto sau sistemelor de materiale magnetice; reducerea cu aproximativ 25% a costurilor generale ale materialelor și prelucrării în raport cu stadiul actual; demonstrarea reciclabilitații și fiabilității noilor materiale inteligente, precum și o reducere a dependenței de elemente rare; integrarea tehnologiilor senzorilor cu IoT; standardizarea materialelor pentru energy harvesting pentru a permite trecerea de la TRL 3 la TRL5.

În sprijinul energy harvesting via FAST-SMART
IMNR este parte integrantă din FAST-SMART, un complex proiect internațional de energy harvesting. În ce constă specificul şi noutatea proiectului? Care sunt principalele ţinte de atins şi miza majoră? Ce rezultate preliminarii există?
În timp ce necesitățile de utilizare eficientă a energiei au condus la apariția unor dispozitive noi și diverse, iar piața acestora este în creștere constantă, principalele provocări rămân performanțele, fiabilitatea și costurile acestora.

Conceptul general al proiectului H2020-NMBP-ST-IND-2-ID 862289 FAST and Nano-Enabled SMART Materials, Structures and Systems for Energy Harvesting – FAST-SMART (01.04.2020-01.05.2024) constă în transpunerea la scară industrială a noilor tehnici de nano-fabricare pentru producția de serie, propuse de partenerii FAST-SMART, pentru sinteza materialelor inteligente nano-structurate și fabricarea componentelor pentru energy harvesting, cu scopul îmbunătățirii semnificative a calității materialului și fiabilității structurale (îmbunătățire > 50% ~ 100%) și reducerii costurilor cu materialele și procesarea (prin scurtarea etapelor de proces și îmbunătățirea eficienței procesării materialelor). Se utilizează materialele cu un conținut redus de pământuri rare sau fără pământuri rare (cum ar fi materialele piezoelectrice fără plumb și materiale termoelectrice Heusler fără Hf). Proiectul se focalizează și pe proiectarea dispozitivelor pentru energy harvesting luând în considerare strategia de mediu, contribuind astfel la un impact pozitiv asupra mediului în Europa (emisiile de gaze cu efect de seră în scădere cu 50%, reducerea deșeurilor cu 50%). Proiectul, prin introducerea noilor produse de recuperare a energiei, a serviciilor de proiectare și fabricație create prin parteneriatul FAST-SMART, contribuie la creșterea cotei de piață a firmelor participante la sute de milioane de euro, promovării pe scară largă a Internet of Things (IoT) și Pieței Unice Digitale (DSM) în Europa.
Constrângerile privind introducerea pe scară largă a recuperatoarelor de energie care utilizează materiale cu conținut scăzut de pământuri rare şi/sau care nu prezintă toxicitate sunt asociate în mare măsură cu performanța și fiabilitatea inadecvată a materialelor, cu costuri ridicate de fabricație și strategie de proiectare a produselor dezvoltată inadecvat. În acest context, abordarea dezvoltării durabile este esențială. Forța motoare a propunerii constă în nevoia de a face față provocărilor, în special pentru dezvoltarea și aplicarea materialelor piezoelectrice (PE) și termoelectrice (TE), structurilor și sistemelor de nouă generație și în gestionarea generării energiei, abordarea sistematică a problemelor legate de stocarea şi folosirea acesteia contribuind la îndeplinirea obiectivelor UE privind dezvoltarea socială, economică și de mediu.

Consorțiul proiectului, coordonat de Profesorul Yi Qin de la Universitatea Strathclyde din Glasgow, cuprinde 7 întreprinderi și 5 parteneri din mediul academic din U.K, Franța, Italia, Germania, Grecia şi România.

Principalele activități ale INCDMNR-IMNR în acest proiect sunt: sinteza hidrotermală a materialelor piezoelectrice fără plumb, dezvoltarea capacităților de sinteză, experimente la nivel de laborator pentru sinteza hidrotermală a materialelor piezoelectrice fără plumb și validarea tehnologiei la nivel de laborator, fabricarea prototipurilor pe bază de materiale fără plumb pentru sinterizare, caracterizarea proprietăților piezoelectrice prin analiza de impedanță, studii şi predicții termodinamice, analiza elementală utilizând metode acreditate și transpunerea la scară pilot a procesului de sinteză hidrotermală.

La aproape un an de la demararea proiectului, IMNR şi-a dezvoltat capacitatea de sinteză hidrotermală la nivel de laborator a unui compus piezoelectric oxidic complex, a efectuat studii termodinamice predictive pentru a reduce numărul de experimente, a început un studiu al transformărilor de fază prin analiza termică complexă și pregătește primele loturi de materiale ce urmează să fie testate pentru sinterizarea rapidă, utilizând un procedeu original pus la punct de coordonatorul de proiect.

Sistemul CDI românesc se confruntă cu o criză de resurse umane. Un astfel de proiect presupune nu doar implicarea celor mai buni specialişti, dar şi atragerea sau formarea unora noi, perfecţionare continuă. Cum faceţi faţă acestor provocări?
Sistemul de cercetare românesc se confruntă cu o criză de resurse umane datorată pe de o parte subfinanțării acestuia, pe de altă parte lipsei de predictibilitate a competițiilor la nivel național și fondurilor alocate. În acest context, constrângerile sunt importante, piața muncii şi bugetele fiind factori care limitează spațiul de manevră al institutului în acest domeniu. Totuși, institutul are o strategie de stimulare a personalului, care își propune să mențină și să atragă resursa umană specializată.

Pentru stimularea personalului avem în vedere crearea în cadrul institutului a unui climat intern permisiv la nou, flexibil, care să permită amplificarea inovării, îndrumarea şi susținerea salariaților competitivi pentru a-şi valorifica şi dezvolta potențialul, menținerea descentralizării, cooperării interdisciplinare axată pe inovare. Institutul susține participarea la ateliere de lucru, seminarii, școli de vară, stagii de pregătire în domeniile specifice de activitate ale institutului, precum și în domenii complementare.

Proiectul FAST-SMART este un foarte bun exemplu de multidisciplinaritate și de integrare a tinerilor absolvenți în activități de cercetare high-tech. Astfel, în proiect sunt implicați 8 cercetători seniori (2 CS I, 3 CSII, 3 CS III), 2 CS, 4 ACS (tineri absolvenți) cu specializare diversă: chimie, fizică, știința și ingineria materialelor.

Explorând potențialul fabricării aditive
3D printing este o altă tehnologie radicală în care IMNR a investit. Cum aţi construit pe acest palier, ce proiect reprezentativ aveţi în derulare?
Potrivit ISO 17296-1 și ASTM 2792-12 procesele de fabricare aditivă (cunoscută și sub numele de tipărire tridimensională (3D) sau prototipare rapidă) sunt definite ca procese de punere împreună a materialelor pentru a face obiecte plecând de la modele 3D, de obicei strat cu strat. Procesul de fabricare aditivă prezintă o serie de avantaje: pot fi produse în loturi mici structuri goale, complexe, funcționale; proprietățile structurilor pot fi precis controlate; componente la comandă cu geometrie, porozitate și suprafață interne specifice; pot fi fabricate structuri extrem de ușoare.