Vývoj pokročilých materiálů nové generace vyžaduje multidisciplinární přístup, který přináší propojení materiálového výzkumu s fyzikou, chemií a elektrochemií s přesahem do oblasti biologických a ekologických věd. Na přípravu těchto materiálů jsou kladeny vysoké nároky, ať už z pohledu použitých původních surovin pro jejich přípravu, vlivu výrobního procesu na okolní životní prostředí, výkonnosti, účinnosti, stability a životnosti až po konečnou fází životního cyklu produktu.

Právě těmto otázkám se na VŠB-TUO věnují týmy expertů ze všech potřebných oblastí. Zastoupeni jsou chemici a materiáloví vědci, ale významnou součást týmu tvoří také fyzikové. Synergické spojení a vytvoření výzkumného programu je poté klíčovým prvkem k dosažení stanovených cílů.

Výzkumný program Materiály pro energetiku a environmentální aplikace

Výzkumný program vznikl propojením výzkumu prováděného na Centru nanotechnologií a Fakultě materiálově technologické VŠB-TUO. Je rozdělen do pěti aktivit, které spojuje téma energie a s tím související vliv technologií na životní prostředí. Všechny aktivity se ve svém programu zaměřují na výzkum a vývoj pokročilých materiálů nové generace, které zajišťují budoucí udržitelný rozvoj a jsou odrazem požadavků ze strany Evropské zelené dohody na neutrální uhlíkové technologie.  Materiály budou vyvíjeny a studovány s ohledem na jejich účinnost s přihlédnutím k co možná nejnižšímu negativnímu vlivu na životní prostředí. Ať už z hlediska využitých materiálů a surovin, či z pohledu výrobních postupů, tak z hlediska jejich likvidace po použití. Tím zásadním pravidlem, které je při návrhu nových materiálů aplikováno, je pravidlo „významně nepoškozovat“. Důležitým přínosem v dalším zkoumání je zapojení dosavadních poznatků z oblasti nanotechnologií do výzkumu.    

„Náš výzkumný program je zaměřen na výzkum a vývoj materiálů a nanomateriálů s využitím v energetických a environmentálních oblastech. Jedná se o materiály pro konverzi, akumulaci, skladování a transport energií, a to energie tepelné, solární či elektrické. Důležitou část tvoří také vývoj membrán pro vodíkové technologie a další průmyslové aplikace. V programu se nevěnujeme pouze těmto materiálům, ale zaměřujeme se i na výzkum pro zvýšení odolnosti vůči korozi stávajících energetických zařízení, což povede ke snížení ztráty a zvýšení účinnosti energetického průmyslu“ uvedla vedoucí výzkumného programu prof. Ing. Daniela Plachá, Ph.D.

Výzkumný program řeší velmi aktuální a atraktivní témata s vysokým potenciálem pro mezinárodní spolupráci. Konverze, akumulace a skladování či transport energie budou hrát klíčovou roli ve spojení s přechodem technologií založených na fosilních palivech na technologie zelené, bezemisní, uhlíkově neutrální a tento přechod se neobejde bez inovativních materiálů nové generace.

Pět oblastí výzkumného programu

První oblast je zaměřena na akumulaci a skladování elektrické energie se zaměřením na výzkum a vývoj materiálů pro baterie a superkondenzátory, kde je velký důraz kladen na šetrnost a udržitelnost surovinových zdrojů s eliminací nebezpečných a toxických látek v jejich složení. Výzkum je zaměřen na jejich vyšší bezpečnost a účinnost a na studium materiálů pro baterie 4. a 5. generace, které přispějí k vývoji baterií bez lithia a kobaltu.  Řešitelský tým vede prof. Gražyna Simha Martynková z Centra nanotechnologií a v jejím týmu je zapojen i významný vědec z oblasti elektrochemického ukládání energie prof. Hatem Akbulut z výzkumného centra SARGEM a Sakarya University v Turecku, který byl představen v našem prvním newsletteru.

Druhou oblastí je výzkum materiálů pro přeměnu solární energie a její skladování ve formě chemických paliv pod vedením doc. Kamila Postavy z Fakulty materiálově-technologické VŠB-TUO, který přináší, mimo jiné, spolupráci s několika předními francouzskými univerzitami. Výzkum je zaměřen na studium a vývoj nových materiálů a systémů pro generování solárních paliv monoliticky integrujících fotovoltaickou část, která je zdrojem potřebného napětí, a elektrofotokatalytickou část umožňující výrobu solárních paliv bez nutnosti externího elektrického obvodu. Součástí výzkumu je rovněž modelování dynamických procesů přenosů nosičů náboje a jejich měření pomocí optické spektroskopie s ultrakrátkými laserovými pulsy.

Třetí oblast se věnuje výzkumu a vývoji materiálů pro akumulaci a transport tepelné energie pod vedením prof. Bedřicha Smetany z Fakulty materiálově-technologické VŠB-TUO, který se svým týmem spolupracuje, mimo jiné, s univerzitou v Oxfordu. V rámci výzkumného programu se členové řešitelského týmu věnují výzkumu inovativních, k životnímu prostředí šetrných, anorganických a organických materiálů, v pevné a v kapalné fázi, tzv. TESm – „Thermal Energy Storage“ materiálů, pro možnou akumulaci a uvolňování tepelné energie, materiálů pro transport tepelné energie (zejména HTF materiály – Heat Transfer Fluids) a energetických materiálů (EM) pro nízkoteplotní a vysokoteplotní energetické aplikace.

Čtvrtou oblast představuje studium vlastností, modifikací a funkcionalizací polymerních a kompozitních materiálů, které tvoří základ membrán ve vodíkových technologiích, používaných v elektrolyzérech a palivových článcích nebo při separacích plynů. Díky širokým možnostem složení budou polymerní a kompozitní membrány testovány pro další významné aplikace, například v oblasti separace plynů a par pro průmyslové účely, pro čištění vod a vzduchu, v oblasti materiálů se samoregeneračními vlastnostmi či s protinámrazovou ochranou nebo materiálů pro aditivní technologie. Mezinárodní tým pod vedením prof. Daniely Plaché z Centra nanotechnologií navázal již několik významných spoluprací v České republice i zahraničí, a to v rámci univerzitního i průmyslového prostoru.

Pátá oblast se zabývá výzkumem creepu, vysokoteplotní koroze a únavy a má za cíl zlepšit monitoring stavu energetických zařízení a prodloužit tak jejich životnost. Pod vedením prof. Bohumíra Strnadela se v této oblasti řešitelský tým zabývá výzkumem mikrostruktury, analýzou svařovaných částí a odhadem zbytkové životnosti komponent energetických systémů v průběhu jejich plánované technické životnosti. Součástí výzkumu je predikce kritických hodnot materiálových vlastností, mezního stavu komponent a poruchového stavu zařízení ve víceúrovňových pravděpodobnostních modelech, na jejichž základě lze formulovat provozní přístupy a plány oprav. Cenným přínosem týmu je i rozsáhlá spolupráce s průmyslovým sektorem.

Do řešení projektu jsou zapojeny také Mgr. et Ing. Lucie Vychodilová, Ph.D. s prof. Janou Hančlovou z Ekonomické fakulty VŠB-TUO. Multioborová spolupráce spočívá v propojení ekonomických nástrojů a modelů s technickým výzkumem s cílem hledat optimální řešení i z ekonomického pohledu. 

Projekt Refresh a Energy Lab

Spolupráci jsme nabídli i při řešení strategického Projektu Refresh, a to v oblasti vývoje materiálů pro environmentální aplikace ve výzkumném programu „Výzkum environmentálních a zdravotních aspektů v oblasti energetiky“ a „Výzkum v oblasti využití druhotných surovin a alternativních zdrojů energie“. Napříč Projektem Refresh se vzájemně doplňujeme s Materials-EnviLab, jejíž excelentní vybavení je nezbytné pro charakterizace námi vyvíjených materiálů. Spolupráci v rámci VŠB-TUO máme podpořenou i propojením s projektem operačního programu Jan Amos Komenský ve výzvě Špičkový výzkum „Materiály a technologie pro udržitelný rozvoj“, známý pod zkratkou MATUR, jehož hlavním řešitelem je prof. Bohumír Strnadel a témata řešené v obou projektech se vzájemně doplňují.

V rámci České republiky spolupracujeme například s Univerzitou Jana Evangelisty Purkyně, Matematicko-fyzikální fakultou Univerzity Karlovy, Univerzitou Palackého v Olomouci, včetně CATRIN, Vysokým učením technickým v Brně, Technickou univerzitou v Liberci a s dalšími. V rámci zahraničí spolupráce jsou našimi partnery například univerzity Northumbria University, ENSTA Bretagne, ICTP-CSIC Madrid, Sakarya University, National Institute of Material Physics, University of Lille, Washington University in St. Louis a další. Zájem o spolupráci projevili také kolegové z německého Fraunhofer Institutu, především z Institutu chemické technologie v Pfinztal, kde řeší podobná témata. Zájem o spolupráci projevila i řada českých podnikatelských subjektů, což je velmi důležité, vzhledem k cílům Projektu Refresh a snahou o posun k vyšším úrovním technologické připravenosti. Jsme však otevřeni i budoucím dalším spolupracím a budování mezinárodních týmů a výměně expertů z řad zkušených i mladých začínajících vědců.

Předmětem projektu je samozřejmě dosáhnout vytyčených cílů, jako je námi stanovený vývoj pokročilých materiálů nové generace. Tento vývoj jde ruku v ruce společně se snahou o vybudování moderních laboratoří s mezinárodním obsazením, které budou atraktivní nejen pro kolegy z Česka, ale i ze zahraničí, stejně jako pro mladé studenty, kteří se teprve rozhodují o své budoucí kariéře a míří za studiem především do Prahy a Brna. Naším cílem je přilákat je do našich laboratoří, neboť v rámci Fakulty materiálově technologické VŠB-TUO mohou studovat řadu zajímavých oborů, mimo jiné studijní program Nanotechnologie, a svou odbornost a praxi mohou zvyšovat jak na fakultě, tak v laboratořích Centra nanotechnologií. Využít mohou rovněž nově budované sdílené laboratoře, které nyní vybavujeme novými přístroji, které doposud nebyly na univerzitě pořízeny. Ty budou sloužit například k charakterizaci membrán nebo baterií a superkondenzátorů, materiálů pro transfer a uchovávání tepelné energie či přístrojů pro testování koroze oceli.