Revista >> Ianuarie - Februarie 2022 [Nr. 241] >> Cover Story

IMNR, un institut strategic în domeniul circularității materiilor prime critice

Dr. Roxana Miora Piticescu, director general IMNR

10 Februarie 2022

În prezent, Institutul Național de Cercetare-Dezvoltare pentru Metale Neferoase și Rare – IMNR, în continuarea unei activități de cercetare de 55 ani, își propune să devină un centru de competitivitate la nivel regional, național și european în domeniul ingineriei materialelor pe bază de metale neferoase și rare (metale, aliaje, compozite și hibride) și al chimiei anorganice, un actor principal în domeniul cercetării și aplicațiilor pentru optimizarea performanței tehnologiilor din domeniul materialelor pe bază de metale neferoase, într-o perspectivă a economiei circulare și asigurarea de lanțuri reziliente de aprovizionare cu materiale critice pentru energii regenerabile, e-mobilitate, spațiu și securitate și al materialelor pentru sănătate. Inovarea și transferul de know-how stau la baza activității sale de cercetare, iar integritatea și angajamentul pentru excelență sunt elemente ale activității și culturii organizaționale.

O istorie influențată de evoluția industriei metalurgice
Metalurgia este o ramură a industriei care include procesele de obținere a metalelor din minereuri și alte substanțe care conțin metale. Metalurgia înseamnă prelucrarea minereurilor, extragerea metalelor din minereuri, rafinarea metalelor, producerea aliajelor metalice, prelucrarea metalelor sub presiune, fabricarea pieselor metalice turnate, prelucrarea termică, termochimică, termomecanică, sudarea și lipirea metalelor și aliajelor, acoperirea suprafeței pieselor metalice cu straturi de alte metale prin difuzia unor substanțe (metalice sau nemetalice) în stratul superficial ale obiectelor de metal.
Pe data de 1 iulie 1966, prin fuziunea Colectivelor de cercetători provenite de la Institutul de Cercetări Metalurgice (ICEM) și ICECHIM - Secția Chimie Anorganică, precum și proiectanților de la IPRAM se înființează Institutul de Metale Neferoase și Rare, IMNR. Acesta integra metalurgia (elaborare pulberi, aliaje, obținere metale prin diferite procedee piro și hidrometalurgice, purificare magnezio-termică, procese în fază de vapori), chimia anorganică aplicată, caracterizările complexe ale materialelor pe bază de metale neferoase și compuși ai acestora și proiectarea instalațiilor industriale pentru metalurgia neferoasă, răspunzând astfel nevoilor industriei din perioada respectivă.
Cei care au făcut posibilă implementarea acestui concept sunt directorul Gheorghe Bujgoi și profesorul Tudor Segărceanu, fondatori ai institutului, care au încurajat cercetătorii să exceleze, i-au ajutat să-și descopere propria înțelepciune, să se angajeze în întregime în munca lor.
După 1990, industria metalurgică a fost afectată de: restructurarea economiei; diminuarea activității industriei constructoare de mașini; privatizarea nereușită a unor combinate și reducerea finanțării (subvenționării) din partea statului a marilor combinate metalurgice. În acest context, în perioada 1990-2004 institutul s-a reorganizat și adaptat la transformările domeniului industriei metalurgice, punând accent pe știința și ingineria materialelor pe bază de metale neferoase și compuși ai acestora, lucru care a fost posibil datorită conducerii institutului (directorul general Teodor Velea, directorii științifici Gheorghe Jula și respectiv Constantin Gurgu), care au încurajat cercetătorii să accepte responsabilitatea pentru a face schimbări.
În anul 2004, institutul a devenit institut național de cercetare-dezvoltare (INCDMNR-IMNR), moment care a marcat o nouă etapă în activitatea IMNR. În anii 2013 și respectiv 2019, institutul a fost reacreditat ca institut național de cercetare-dezvoltare.

Metalele neferoase, datorită proprietăților (rezistență mare la oxidare, conductibilitate electrică ridicată, greutate specifică redusă, densitate mică etc), sunt utilizate pe scară largă în industria constructoare de mașini și în special în subramurile moderne ale acesteia: electrotehnică, electronică și mecanică fină. Fiind mai rare, cu rezerve mai mici și cu concentrații ale metalului în minereu mai reduse, neferoasele sunt mult mai scumpe decât metalele feroase.
În anul 2002, profesorul Robert W. Kahn, de la Universitatea Cambridge, a publicat un articol cu titlul sugestiv „Metalurgia - Tatăl științei materialelor” (Metallurgy - The Father of Materials Science).
INCDMNR-IMNR, prin direcțiile de cercetare-dezvoltare-inovare abordate, poate fi considerat un institut strategic în lanțul valoric de aprovizionare cu materiale critice pentru energie, sănătate, spațiu, apărare și securitate, furnizând noi materiale și soluții tehnologice inovative pentru recuperarea, reutilizarea și substituția materialelor critice.
„Noi aplicații s-au dezvoltat nu numai datorită progreselor tehnice, ci și datorită materialului din care sunt fabricate, care oferă noi proprietăți, funcționalități și noi posibilități de proiectare. Noile materiale și proprietăți ajută la schimbarea a ceea ce aveți în jurul vostru. Totul se referă la proprietățile unui material și la modul în care poți schimba și modifica design-ul real al materialului” (Susanne Norgren - Group Expert - Sandvik, Suedia).
Uneori, drumul de la idee la produsul finit sau proces poate dura ani.
În cadrul INCDMNR-IMNR se derulează atât proiecte naționale, cât și europene. Printre proiectele naționale se numără și Programul Nucleu finanțat de către ministerul coordonator, unul din pilonii importanți care permite dezvoltarea unei idei cu potențial de valorificare în alte proiecte sau aplicații.
Pornind de la analiza SWOT și oportunitățile identificate pentru perioada 2019-2022, IMNR a propus un Program Nucleu (PN 1919, acronim MULTIMET, Contract nr. 6N /2019, director program dr. ing. Ana Maria Mocioiu) care să asigure integrarea unor tehnologii emergente (în mod deosebit fabricarea aditivă și funcționalizarea suprafețelor prin depunere combinatorie în flux de electroni și procese electrochimice) pentru a obține produse inovative cu potențial economic ridicat prin substituția sau reducerea consumurilor de metale critice în aplicații din domeniile energie, protecția mediului și medicina regenerativă.

Povești de succes realizate în cadrul Programului Nucleu MULTIMET
Fabricarea aditivă (printarea 3D) este una dintre tehnologiile generice esențiale care au introdus o nouă viziune asupra activității industriale și asupra produselor și uzinelor viitorului. Asocierea dintre revoluția digitală și această tehnologie revoluționară va permite Europei să își recupereze capacitățile de producție din regiunile cu salarii mai mici, pentru stimularea inovării și asigurarea unei creșteri durabile pe plan intern. Această tehnologie permite realizarea a numeroase produse finite diferite utilizându-se aceleași echipamente, materiale și procedee. De asemenea permite obținerea unor produse care sunt imposibil de obținut prin metodele tradiționale. În contextul digitalizării, fabricarea aditivă devine o tehnologie esențială în cadrul unor lanțuri de aprovizionare dinamice, diverse și descentralizate. Aceasta deschide calea către o bază de producție apropiată de consumator, inclusiv la scară mică, la domiciliu sau în centre de imprimare pentru anumite produse. Lanțurile de aprovizionare pot combina uzinele care fabrică produse complexe, cu producerea descentralizată și pe scară mică de componente adaptate cererii clientului (ateliere de concepție apropiate de client sau de punctul de consum, inclusiv prin transmiterea de fișiere prin internet). Problemele majore de natură tehnică care împiedică pătrunderea pe scară largă în sectoare precum industria auto, aerospațial, sectorul medical sau al bunurilor de consum sunt legate de fiabilitatea și viteza de producție scăzute ale procesului, integrarea în sisteme de producție hibride, lipsa datelor privind compatibilitatea dintre materiale și proprietățile produselor, numărul limitat de materiale adecvate utilizării în fabricarea aditivă, lipsa unei abordări multidisciplinare a noilor aplicații revoluționare și necesitatea introducerii unor noi standarde pentru caracterizarea produselor.
Fabricarea aditivă a fost dezvoltată în cadrul proiectului „Structuri 3D pe bază de materiale avansate, realizate prin fabricare aditivă cu aplicații de mediu și stocare de energie”, component al Programului Nucleu MULTIMET. Proiectul și-a propus integrarea sintezei hidrotermale la presiuni înalte cu fabricarea aditivă pentru dezvoltarea a două tipuri de structuri 3D: structuri pe bază de nanotuburi de carbon (CNT) și/sau oxizi metalici (ZnO, ZrO2) pentru aplicații de mediu, respectiv structuri pe bază de nanotuburi de carbon funcționalizate cu ZnO pentru stocarea energiei.

O aplicație originală a acestor micro-structuri este utilizarea lor ca suport pentru impregnarea cu materiale cu schimbare de fază (PCM - phase change materials) în vederea stocării energiei termice și controlului schimbului termic în limite precise de temperatură și stabile la un număr mare de cicluri termice. IMNR a dezvoltat, în cadrul unui proiect de fonduri structurale (POC E 104730-acronim ENERHIGH) coordonat de un specialist străin, un centru de competență în domeniul materialelor cu schimbare de fază, fiind studiate diferite sisteme și tehnologii de micro-încapsulare a PCM-urilor pentru a crește stabilitatea lor la cicluri termice și a reduce coroziunea asupra pereților schimbătoarelor de căldură.

Mergând mai departe, noile structuri 3D pe bază de ZnO-CNT personalizate, impregnate cu materiale PCM anorganice, cum ar fi azotații de sodiu, potasiu și amestecurile acestora, pot stoca energia termică la temperaturi de 300-3500C, contribuind la echilibrarea ciclului energetic în cazul funcționării sistemelor solare de producere a energiei. Prin alegerea unor materiale PCM cu diferite temperaturi de transformare se pot proiecta structuri pentru stocarea energiei termice și în alte domenii, precum auto sau tehnică de calcul.
Unul dintre cele mai importante obiective ale Programului Nucleu este formarea tinerilor cercetători prin implicarea în activitatea de cercetare științifică și de diseminare a rezultatelor.
Primele rezultate privind dezvoltarea structurilor 3D prin fabricare aditivă și impregnarea cu materiale PCM au fost premiate cu marele premiu al Simpozionului Internațional PRIOCHEM 2021.