Zimna plazma, magazynowanie wodoru i „zielona” metoda jego produkcji, zegary atomowe czy efektywność energetyczna oczyszczalni ścieków – tymi między innymi tematami zajmują się laureatki konkursu Small Grant Scheme. Jego celem jest wsparcie polskich badaczek w stosowanych naukach technicznych.
Konkurs Narodowego Centrum Badań i Rozwoju jest częścią programu „Badania stosowane”, finansowanego z Funduszy Norweskich i Funduszy Europejskiego Obszaru Gospodarczego. Dofinansowanie na dwuletnie projekty zostało pierwotnie przyznane 27 polskim badaczkom. W ostatnim czasie, dzięki staraniom NCBR, wsparcie uzyskały także dodatkowe cztery projekty z listy rezerwowej. To w sumie ponad 5 mln euro.
Celem naszej inicjatywy, realizowanej dzięki Funduszom Norweskim, było wsparcie kobiet w tych dziedzinach nauki, gdzie ich reprezentacja jest najmniejsza. Jak pokazują badania Głównego Urzędu Statystycznego, zdecydowana większość nowo wypromowanych doktorów w grupie nauk inżynieryjnych i technicznych to mężczyźni (65,1% w 2019 r.), a dysproporcja ta jest jeszcze bardziej wyraźna wśród nowych doktorów habilitowanych w tych dziedzinach (70,9% mężczyzn). Tym bardziej gratuluję wszystkim zdobywczyniom grantów. Jestem przekonany, że rezultaty ich nowatorskich projektów będą mówiły same za siebie, przyczyniając się do osiągania przez ich kierowniczki kolejnych szczebli kariery naukowej, z pożytkiem dla gospodarki, rozwoju społecznego i faktycznej równości szans w obszarze B+R – mówi dr Remigiusz Kopoczek, p.o. dyrektor Narodowego Centrum Badań i Rozwoju.
Zimna plazma pomoże oczyszczać wodę
Z produktów przemysłu włókienniczego, jak chociażby odzieży, korzystamy na co dzień. Niestety, podobnie jak każda działalność przemysłowa, włókiennictwo wpływa negatywnie na środowisko naturalne. Największe obciążenie dla środowiska, które powoduje masowa produkcja tekstyliów, to ogromne ilości zużywanej wody i emitowanych ścieków. Oczyszczenie silnie zanieczyszczonych ścieków to duże wyzwanie techniczne, z którym postanowiła się zmierzyć dr inż. Lucyna Bilińska z Wydziału Inżynierii Procesowej i Ochrony Środowiska Politechniki Łódzkiej. Jak tłumaczy, jedną z najbardziej obiecujących metod oczyszczania, która ma potencjał wdrożenia w działalności przemysłowej, jest ozonowanie w obecności katalizatora.
To właśnie wytworzenie katalizatora stanowi najważniejszy etap projektu. Tu z pomocą przychodzi zimna plazma. Dzięki niej zostały wytworzone specjalne cienkowarstwowe katalizatory naniesione na stałe podłoże o rozbudowanej geometrii. Udało się już potwierdzić ich skuteczność. Opracowano także dedykowaną konstrukcję reaktora, umożliwiającą praktyczne zastosowanie katalizatora, również w skali przemysłowej. Spodziewam się, że już wkrótce technologia TEX-WATER-REC będzie miała konkretny zarys – przewiduje badaczka.
W wyniku rozpoczętych prac powstanie kompletna, funkcjonalna metoda recyklingu wody, tak aby możliwe było jej powtórne wykorzystanie w procesach produkcji tekstyliów. Od samego początku, czyli opracowania założeń projektu, wszystkie rozwiązania tworzone są z myślą o praktycznym zastosowaniu w przemyśle.
Przy obecnym zapotrzebowaniu na technologie ochrony środowiska mogę spodziewać się dużego zainteresowania ze strony potencjalnych nabywców: firm produkujących instalacje ozonowe, ale również klientów docelowych – producentów tekstyliów, którzy chcą ograniczać zużycie wody – zauważa dr inż. Lucyna Bilińska.
Ścieki komunalne jako źródło surowców
Oczyszczanie ścieków, tym razem komunalnych, to także przedmiot zainteresowań dr inż. Dominiki Sobotki z Katedry Inżynierii Sanitarnej na Wydziale Inżynierii Lądowej i Środowiska Politechniki Gdańskiej. Jej badania ukierunkowane są na wdrażanie technologii, które poprawiają efektywność energetyczną oczyszczalni oraz pozwalają na zmniejszenie zużycia zasobów naturalnych surowców, głównie fosforu, pozwalając na ich ponowne zagospodarowanie w środowisku.
W ostatnich latach oczyszczalnie ścieków, oprócz ich tradycyjnej roli, jaką jest oczyszczanie ścieków i przeróbka osadów ściekowych, stają przed nową rolą, jaką jest produkcja zasobów, m.in. wody, energii i surowców wtórnych, w szczególności biogenów (azotu i fosforu). Celem mojego projektu jest opracowanie innowacyjnej zintegrowanej technologii usuwania i odzysku azotu i fosforu w komunalnych oczyszczalniach ścieków, która zapewni im realizację ich nowej roli: producenta surowców – opisuje dr inż. Dominika Sobotka.
Z wyników projektu, w którym trwają już badania podstawowe, będą mogli skorzystać zarówno projektanci, jak i eksploatatorzy oczyszczalni ścieków.
Poza nową technologią powstanie także model matematyczny, który będzie mógł zostać wykorzystany jako narzędzie decyzyjne do projektowania lub eksploatacji oczyszczalni ścieków, w celu zmniejszenia wpływu na środowisko procesów usuwania i odzyskiwania biogenów – zauważa liderka projektu.
Lasery dla zegarów atomowych
W pracy badawczej w Instytucie Wysokich Ciśnień Polskiej Akademii Nauk dr inż. Marta Sawicka zajmuje się epitaksją z wiązek molekularnych. Tą techniką wytwarzane są struktury emiterów światła, takich jak diody LED czy lasery.
Klasyczny niebieski laser półprzewodnikowy ma w swoim widmie emisji zazwyczaj kilka linii odległych od siebie o ułamki nanometra. Elementem optycznym, który umożliwia „wybranie” jednej z tych linii o ściśle zdefiniowanej długości fali, jest siatka dyfrakcyjna. Jest to, obrazowo mówiąc, periodyczny układ materiałów o znacząco różniącym się od siebie współczynniku załamania światła, takich jak np. azotek galu (GaN) i powietrze. Okres siatki decyduje o tym, jaka będzie długość emisji laserowej, która w przypadku niektórych szczególnych zastosowań ma kluczowe znaczenie, np. w zegarach atomowych –mówi badaczka.
Stoi przed wyzwaniem wykonania wewnątrz struktury lasera, pod obszarem aktywnym, układu periodycznie rozmieszczonych kanałów o średnicy od kilkudziesięciu do kilkuset nanometrów, tworzących siatkę dyfrakcyjną. To zadanie niezwykle atrakcyjne zarówno z punktu widzenia naukowego, jak również praktycznego.
Po pół roku realizacji mamy już potwierdzenie, że zaproponowana droga, którą chcemy dojść do celu, jest właściwa. Zgłosiliśmy już wniosek patentowy na tę metodę. Poza epitaksją wykorzystujemy w niej selektywną implantację jonową i trawienie elektrochemiczne. Przed nami pokazanie siatek o periodyczności kilkuset nanometrów, a następnie ich integracja w strukturze lasera – ujawnia dr inż. Marta Sawicka.
Potencjał wdrożeniowy projektu jest znaczący. Stabilna praca i emisja laserowa na jednej długości fali z wysokim współczynnikiem tłumienia modów bocznych jest wymagana do takich zastosowań, jak szybka komunikacja krótkiego zasięgu w oparciu o plastikowe światłowody, precyzyjne pomiary czasu przez zegary atomowe czy zaawansowane czujniki oparte na interferometrii.
Mam ogromną nadzieję, że na koniec projektu będę mogła powiedzieć, że nasze rozwiązanie ma potencjał wypełnić niszę rynkową półprzewodnikowych niebieskich laserów o jednomodowym spektrum emisji – konkluduje badaczka.
Jak zatrzymać wodór w zbiorniku?
Problem, który wraz ze swoim zespołem podjęła dr inż. Justyna Krzak, pracownik naukowy w Katedrze Mechaniki, Inżynierii Materiałowej i Biomedycznej na Wydziale Mechanicznym Politechniki Wrocławskiej, to doszczelnienie zbiorników do magazynowania wodoru. Rozwiązania, nad którymi pracuje, są oczekiwane na rynku technologii wodorowych. Kłopot polega na tym, że wodór jest najmniejszą i najbardziej ruchliwą znaną cząsteczką, w związku z tym przenika właściwie przez każdy rodzaj materiału; zmienia się tylko mechanizm przenikania.
Przenikanie wodoru przez ściany zbiorników magazynujących, w zależności od stopnia, powoduje straty finansowe lub zagrożenia bezpieczeństwa. Jest także niekorzystne dla środowiska. Dlatego w projekcie HyStor zajęliśmy się ograniczeniem przenikania wodoru przez ściany kompozytowych zbiorników ciśnieniowych – tłumaczy dr Krzak.
Dodaje, że taki zbiornik, poza kompozytową ścianą zewnętrzną, zbudowany jest również z linera (swoistej dętki), odpowiedzialnego za zatrzymanie gazu wewnątrz zbiornika. W tego rodzaju zbiornikach wodór znajduje się pod ciśnieniem 700 barów, co stanowi dodatkowy czynnik wpływający na przenikalność (dla porównania, w butlach propan-butan panuje ciśnienie maksymalnie 20 barów). Liner w zbiornikach IV generacji zbudowany jest z polimeru, np. HDPE. Naukowcy pod kierunkiem dr Krzak opracowuje właśnie powłokę uszczelniającą taki liner, by w jak największym stopniu ograniczyć ucieczkę wodoru ze zbiornika. Zbadają również mechanizm przenikania wodoru przez opracowywane powłoki zol-żelowe, co pozwoli na celowane projektowanie materiałów doszczelniających.
Opracowujemy procedurę pomiarową, która umożliwi badania in situ powłok uszczelniających, w szczególności oddziaływania otrzymywanych materiałów z wodorem. Dodatkowo, by zapewnić możliwie pełne rozwiązanie, stworzymy system nanoszenia powłok, ich stabilizacji oraz wykrywania nieciągłości na powierzchniach wielkoformatowych – objaśnia.
Obecnie prowadzone są badania podstawowe, które mają na celu wyjaśnienie mechanizmu przenikania. Technologie te będą atrakcyjne dla branży związanych z transportowaniem i przechowywaniem gazów o najmniejszych molekułach, w szczególności wodoru. Metoda wytwarzania tlenkowych powłok barierowych pozwoli także rozszerzyć zastosowanie nowo otrzymanych materiałów na inne gazy, np. hel, dwutlenek węgla czy metan. Powłoki ograniczające przenikanie wodoru to technologie poszukiwane przez producentów linerów do zbiorników kompozytowych lub samych zbiorników magazynujących.
Powłokę będziemy nanosić na gotowe produkty – linery, zbiorniki, rury lub całe instalacje do przechowywania lub przesyłu wodoru. Co więcej, opracowujemy system, który pozwoli nanieść powłokę barierową na istniejące instalacje – zapowiada dr inż. Justyna Krzak.
Zielona metoda wytwarzania wodoru
W lutym swoje badania na styku nanotechnologii i inżynierii materiałowej rozpoczęła dr Anna Ilnicka z Wydziału Chemii Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu. Pracuje nad katalizatorami na bazie grafenu, które stanowiłyby „zieloną” metodę produkcji wodoru.
Nasz projekt będzie ważnym wkładem w rozwiązanie ogólnoświatowego problemu środowiskowego. Wydajna elektroliza wody jest powszechnie postrzegana jako sposób na akumulację nadmiaru energii, która może być produkowana przez niektóre źródła odnawialne, takie jak fotowoltaika. Nadmiar ten mógłby zasilić proces elektrolizy, w wyniku którego powstaje wodór, czyli paliwo o największej gęstości energii na jednostkę objętości. Koncepcja ta jest zgodna z perspektywami gospodarki wodorowej –podkreśla badaczka.
Kluczowym elementem dla elektrolizy wody jest wydajna konstrukcja elektrody, która umożliwia niski podział potencjału przy jednoczesnej wysokiej trwałości. Istotną kwestią jest również eliminacja platyny z produkcji elektrod. Jak zaznacza chemiczka, celem projektu jest synteza takich materiałów elektrodowych i praktyczna weryfikacja ich właściwości aplikacyjnych.
Zależy nam na otrzymaniu katalizatorów, czyli grafenu o strukturze 3D wzbogaconej w heteroatomy, tlenki metali i tlenki metali typu perowskit. Kluczową innowacją jest sama synteza nowych materiałów elektrodowych wolnych od metali szlachetnych – podkreśla dr Ilnicka.
Katalizatory najbardziej obiecujące z punktu widzenia rozszczepiania wody zostaną rozpoznane i szczegółowo opisane na podstawie analiz fizykochemicznych. Zespół zbada i scharakteryzuje stan chemiczny atomów, aby umożliwić wybór najskuteczniejszych katalizatorów reakcji wydzielania tlenu i reakcji wydzielania wodoru.
Uzyskamy w ten sposób precyzyjne określenie typów miejsc katalizatora, co będzie szczególnie istotne przy interpretacji pomiarów elektrochemicznych. Ważnym krokiem będzie określenie związku morfologii i składu pierwiastkowego z aktywnością elektrochemiczną i fotoelektrochemiczną materiałów, a także ich aktywnością w reakcji wydzielania wodoru w kontakcie z wodnymi elektrolitami – wyjaśnia.
Z punktu widzenia zobowiązania do osiągnięcia w 2050 r. neutralności klimatycznej, możliwości praktycznego zastosowania wyników tych badań są szerokie. Potrzebny jest m.in. nowy rodzaj źródeł energii dla transportu, energii elektrycznej, ciepła, budownictwa mieszkaniowego, rolnictwa, przemysłu morskiego i przemysłu wytwórczego. To właśnie wodór wytwarzany na dużą skalę z wykorzystaniem ekologicznych źródeł energii lub przy zastosowaniu technologii niskoemisyjnych stanowi obiecującą przyszłość dla wielosektorowej dekarbonizacji.
Wodór ma ogromny potencjał, aby zmniejszyć zależność od paliw kopalnych. Jest materiałem obfity i ma najwyższą zawartość energii wagowo, prawie trzykrotnie większą od zawartości benzyny. Rosnąca zdolność elektrolizy będzie miała dodatkowy wpływ na obniżenie kosztów produkcji „zielonego” wodoru – sugeruje dr Ilnicka.
Technika jest kobietą
Co przesądziło o tym, że badaczki zgłosiły swoje projekty właśnie w konkursie adresowanym do kobiet w obszarze nauk technicznych?
Nauka to dla mnie pasja. Już od dziecka interesowały mnie zagadnienia naukowe. Zawsze chciałam wiedzieć więcej i nie satysfakcjonowały mnie proste odpowiedzi. Dzięki pracy naukowej mogę się realizować. Konkurs dla kobiet naukowców w obszarze nauk technicznych był dla mnie szansą na zmaterializowanie moich pomysłów naukowych. Był także szansą na udowodnienie, że nie tylko mężczyźni mogą skutecznie rozwiązywać zagadnienia inżynieryjne – mówi dr inż. Lucyna Bilińska z Politechniki Łódzkiej.
Z kolei u dr inż. Dominiki Sobotki z Politechniki Gdańskiej konkurs skierowany wyłącznie do badaczek wzbudził ciekawość.
Kariera kobiet, które chcą realizować się jako matki i naukowcy, jest niezwykle wymagająca. Dla kobiety bardzo często urlop macierzyński równa się przerwie w pracy naukowej – szczególnie w obszarze nauk technicznych. Dlatego też niezwykle ważne są konkursy takie jak Small Grant Scheme, które z założenia uwzględniają specyfikę pracy kobiet naukowców oraz promują rozwój ich kariery naukowej – dodaje.
Także dr inż. Justynę Krzak (Politechnika Wrocławska) ucieszyła propozycja skierowana do kobiet zajmujących się badaniami naukowymi.
Choć nie zależy mi na preferencyjnych warunkach, ponieważ badania naukowe prowadzone przez kobiety są zwykle na najwyższym poziomie, to jednak uważam, że warto tej grupie naukowców proponować nowe rozwiązania w przygotowywanych programach, bo jest pewność, że zostaną one efektywnie wykorzystane. Ponadto zdecydowanie mniej kobiet niż mężczyzn pracuje w obszarze badań stosowanych w naukach technicznych, warto więc tę mniejszość wspierać – uważa, akcentując liczbę zgłoszeń do konkursu: aż 337.
Dla dr inż. Marty Sawickiej z Instytutu Wysokich Ciśnień PAN moment, w którym pojawił się pomysł wykorzystania materiału porowatego w konstrukcji niebieskiego lasera, zbiegł się z ogłoszeniem konkursu Small Grant Scheme. Stąd jej udział w nim. Natomiast dr Anna Ilnicka z Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu liczy na to, że zarządzanie projektami w konkursie pozwoli ich kierowniczkom na rozwój kariery naukowej oraz przyczyni się do wzmocnienia polskiego środowiska naukowego poprzez zwiększenie udziału kobiet naukowców, zarówno pod względem liczebności, jak i ich roli zawodowej w naukach technicznych. Jak zauważa, wiele spośród projektów wybranych do dofinansowania ma silny aspekt środowiskowy, co przybliża Polskę do osiągnięcia celów strategii Europejskiego Zielonego Ładu.
Rozpoczęte badania, oprócz wpływu na środowisko, wygenerują znaczną liczbę artykułów, publikowanych w renomowanych czasopismach naukowych, których autorami będę kobiety naukowcy – nie ma wątpliwości.
MK, źródło: NCBR