Předpokládá se, že do roku 2050 se celosvětová poptávka po energii zdvojnásobí. Vzniká tak ostrý rozpor. We need more energy than ever before. Klimatická krize však vyžaduje ukončení spalování fosilních paliv. The solution is to use renewable energy. Ale je tu jedno „ale“. Tyto systémy musí být optimalizovány, aby fungovaly efektivně. Výzkumníci a inženýři se při řešení tohoto problému obracejí na kompozitní materiály.
K tomuto hnutí se brzy připojili konstruktéři větrných turbín. Potřebovali čepele, které byly neuvěřitelně lehké. Museli také odolat drsným podmínkám. V takových prostředích je hlavním nepřítelem koroze. Tradičními možnostmi byly epoxidové nebo polyesterové pryskyřice smíchané se skelným vláknem. Tyto směsi poskytovaly potřebnou odolnost vůči fyzické zátěži.
Požadavky byly jednoduché v teorii, ale složité v praxi. The blades should last more than 30 years. The need for maintenance should be minimal. Musí efektivně fungovat v podmínkách náhodných a nepředvídatelných povětrnostních událostí. Sázky vzrostly s rozvojem pobřežních větrných elektráren. Turbíny instalované na moři čelí silnějším bouřím. Lopatky byly delší, aby zachytily více větru. To přivedlo materiálovou vědu na kritickou hranici.
Inženýři reagovali přidáním uhlíkových vláken do směsi. The result was a significant improvement. The blades have become lighter. Jejich aerodynamika se zlepšila. To jim umožnilo vyrábět více elektřiny na jednotku objemu. Zvýšení účinnosti bylo značné.
However, there is one serious problem. Tyto recyklovatelné materiály lopatek větrných turbín je notoricky obtížné recyklovat. Most composites are thermoset (heat resistant). They form irreversible bonds. Po vyléčení zůstávají v tomto stavu. Netaví se. Díky tomu je recyklace pomocí současných metod téměř nemožná.
Hodiny už tikají. Počínaje rokem 2020 bude nutné každý rok vyřadit z provozu stovky větrných turbín. Tento objem bude jen růst. Pokud nedokážeme nakládat s odpady, bude přechod na zelenou energii čelit logistické noční můře. Skládky nejsou udržitelnou dlouhodobou strategií pro průmyslová zařízení.
Na tomto specifickém úzkém problému pracovaly týmy vědců. Jejich cílem bylo vytvořit kompozitní materiál, který by bylo možné skutečně recyklovat. Průlom spočívá ve změně základní pryskyřice. Místo termosetových pryskyřic přešli na termoplastické pryskyřice.
Tento posun je důležitý ze dvou důvodů. Za prvé, umožňuje zpracování depolymerací. Materiál lze rozložit zpět na jednotlivé složky. Za druhé šetří energii při výrobě. Termoplasty často vyžadují ke zpracování méně energie než tradiční pryskyřice. Díky tomu je celý životní cyklus čepele čistší.
Směřujeme k oběhovému hospodářství pro infrastrukturu obnovitelných zdrojů. Nestačí pouze vyrábět čistou energii. Musíme také spravovat zařízení, které to vyrábí. Příští desetiletí určí, zda dokážeme uzavřít smyčku ve větrné energii. Materials science is developing rapidly. But the scale of future waste is enormous. Budeme schopni držet krok? Odpověď závisí na tom, jak rychle se tyto nové metody recyklace rozšíří. The wind will continue to blow. Otázkou je, jestli dokážeme vyčistit jeho stopy.
Skryté materiály určující vývoj mořské a palivové energie
Větrné turbíny zaujmou všechny titulky, ale skutečný technický boj o obnovitelné zdroje energie se odehrává pod vodou a v palivových článcích. Nejde jen o zachycení větru nebo slunečního světla. Jde o přežití v nepřátelském prostředí.
Let’s take hydro turbines. They work in harsh conditions. Mořská voda koroduje kov, koroduje ložiska a časem oslabuje strukturální integritu. This is where composites come into play. Jsou zjevně lehké, což je důležité, když potřebujete rotor efektivně roztočit. But their real superpower is resilience.
Epoxy resin is virtually impermeable to water. Působí jako štít. Uvnitř těchto turbín najdete trysky, součásti určené k urychlení proudění vody a zachycení většího výkonu. Jsou vyrobeny ze sklolaminátu a epoxidové pryskyřice. The material does not rust. Nenafukuje se. Jen to nese zátěž.
Kompozity nabízejí plán údržby, který prakticky neexistuje.
Palivové články představují jiný soubor problémů. Jsou považovány za obnovitelné pouze tehdy, pokud se vodík vyrábí udržitelným způsobem. Ale za předpokladu, že existuje zelený vodík, zařízení musí být spolehlivé. Zde je vinylester v kombinaci s uhlíkovými vlákny zásadní změnou.
These mixtures are conductive. They are dimensionally stable. Nepálí se. Practical application is crucial here. Budoucí vozidla s vodíkovými palivovými články budou potřebovat skladovací nádrže. Kovové nádrže jsou těžké a náchylné na vodíkové křehnutí. Composite tanks are lighter. They reduce production time. Hodí se do konstrukcí vozidel, které nemohou pojmout tuhé kovové části.
Solar surfaces and the pursuit of efficiency
Solární panely existují již desítky let, ale materiály, které je podporují, se vyvíjejí. Díváme se na víc než jen na účinnost samotného článku. Podíváme se na životní cyklus celé instalace.
Hliníkové rámy nahrazují termosetové kompozity. They replace traditional clay tile roofs. Výsledkem je konstrukce, která je lehká, odolná a odolná vůči povětrnostním vlivům. Sluneční záření ničí mnoho materiálů. Tyto kompozity tomu odolávají.
Inovace však zasahují hlouběji do fotovoltaických článků. Vědci experimentují s tenkými vrstvami. Zejména s kombinací oxidů vizmutu a manganu. Nejedná se pouze o strukturální nátěr. Jedná se o optický povlak.
Film optimalizuje, jak buňka absorbuje sluneční světlo. Zachycuje širší spektrum paprsků. Více absorpce znamená více elektřiny. Jedná se o jemný posun v chemii, který může výrazně zvýšit výkon.
Trend je zřejmý. Odstupujeme od těžkých, vodivých, korozivních kovů. Posouváme se k technickým materiálům, které vydrží déle. Energetický sektor nemění jen to, co spaluje nebo co zachycuje. Mění to, z čeho je postaven. A tato změna je strukturální.
