3D drukowane kompozyty o charakterystyce niewzajemnej do pozyskiwania energii odpadowej

Celem projektu jest zastosowanie opracowanych materiałów kompozytowych dla technik przyrostowych oraz nowatorskiego rozwiązania metastruktur o charakterystyce niewzajemnej do wytwarzania 3D drukowanych układów pozyskiwania i przetwarzania energii odpadowej (energy harvesters). Badania w tym obszarze to kontynuacja projektów realizowanych w trakcie kilku ostatnich lat, obejmujących opracowanie grupy materiałów kompozytowych dla elektroniki drukowanej i strukturalnej, w trakcie których rozwinięto nowe ścieżki badawcze, także w obszarze konwersji i magazynowania energii. Poszukiwanie alternatywnych źródeł energii przyjaznych dla środowiska, pozytywnie wpływających na rozwój społeczno-gospodarczy i zapewniających bezpieczeństwo przez uniezależnienie się od surowców konfliktowych jest jednym z kluczowych wyzwań cywilizacyjnych. Wsparciem dla coraz powszechniej stosowanych odnawialnych źródeł energii może być pozyskiwanie energii odpadowej z ciepła bezpowrotnie traconego w przemyśle i budownictwie mieszkaniowym, z drgań czy hałasu a także z otaczającego nas smogu elektromagnetycznego, stosując ogniwa termoelektryczne (TEG), przetworniki piezo/triboelektryczne (P/TENG) oraz recteny dla fal radiowych (RFEH). Układy elektroniczne posiadające autonomiczne źródła zasilania wykorzystują koncepcję zasilania energią odpadową są już wśród nas, jak smarwatche ładowane z ciepła naszych ciał, sterowniki i systemy komunikacji czerpiące energię z fal radiowych, a nawet zabawki zasilane siłą mięśni. Luką w obszarze badań stosowanych, którą adresuje ten projekt, jest adaptacja niesamowitego zjawiska oddziaływania niewzajemnego (nonreciprocal) dla systemów pozyskiwania energii wytwarzanych drukiem 3D przy użyciu nowej klasy nanokompozytów. Takie podejście pozwoli jednocześnie na podniesienie wydajności pozyskiwania energii, wytwarzania układów w nowych formatach (wbudowane w struktury lub elastyczne), w sposób wydajny, tanimi i łatwo dostępnymi rozwiązaniami na dużą skalę.

Celem prac jest zastosowanie dorobku projektu ³WELES związanego z opracowaniem i badaniem właściwości materiałów i technik dla 3D drukowanej elektroniki strukturalnej, dorobku i wiedzy w zakresie systemów pozyskiwania energii odpadowej (EH) oraz nowatorskiego podejścia do zwiększenia wydajności EH poprzez zastosowanie metamateriałów i metastruktur o charakterystyce niewzajemniej (nonreciprocal). Takie połączenie zagadnień (druku 3D i materiałów kompozytowych, systemów EH oraz metamateriałów i metastruktur) dla opracowania innowacyjnych 3D drukowanych EH o zwiększonej wydajności, możliwych do zastosowania w elektronice strukturalnej i systemach wbudowanych jest innowacyjnym podejściem badawczo-rozwojowym, nieporuszanym szeroko w literaturze światowej ani w opisie wynalazków objętych ochroną IP i ma szanse na dokonanie przełomowych odkryć i wynalazków. Przeprowadzenie prac pozwoli na podniesienie TRL materiałów i technik dla druku 3D struktur EH z poziomu badań podstawowych i identyfikacji zastosowania (2) na poziom potwierdzenia koncepcji i weryfikacji laboratoryjnej (4) a we współpracy z partnerami przemysłowymi nawet na pierwsze testy środowiskowe (5). W ramach prac prowadzone będą badania rozwojowe nad polepszeniam sprawności i funkcjonalności struktur tecmoelektrycznych (TEG), generatorów piezo/triboelektrycznych (P/TENG) a także systemów pozyskiwania energii z fal radiowych (RFEH). Dla każdej se struktur prowadzone będą prace rozwojowe nad wbudowanymi systemami EH w formie demonstratorów aplikacji.

Krajowy rynek EH jest raczkujący. Rozwój technologii drukowanych EH można porównać do firm rozwijających technologię drukowanych ogniw fotowoltaiczny, promujących nowatorskie podejście do wytwarzania OZE. Koncerny energetyczne również inwestują w OZE i z czasem będą zainteresowane EH i ich integracją z istniejącymi rozwiązaniami (retrofiting). W szczególności partnerzy projektu działający m.in. w branży kosmicznej, motoryzacyjnej i medycznej wyrazili chęć współpracy przy projekcie w celu eksploracji zastosowań EH w systemach elektronicznych. Są również zainteresowani efektami z prac badawczych pozwalającymi na rozszerzenie portfolio 3D drukowanych wyrobów konstrukcyjnych, a także wskazują na potencjał do rozszerzenia obszarów zastosowań obecnych produktów na nowe rynki, także na systemy EH. Na rynku światowym są firmy o ugruntowanej pozycji zajmuje się wdrażaniem EH, a powstające inicjatywy jak J.A.M.E.S. promujące rozwój 3D drukowanej elektroniki skupiają wiele międzynarodowych firm, które również mogą być potencjalnymi odbiorcami.

Proponowane 3D drukowane systemy EH ma kilka poziomów rynkowych. Pierwszy to innowacyjne podejście technik przyrostowych (druku 3D), które wpisuje się w rozwój nowoczesnych technologii i otwiera nowe możliwości związane z rynkiem druku 3D. Przewidywania rozwoju zapotrzebowania i rynku technik przyrostowych prowadzone od ponad 20 lat różnią się między sobą, ale wszystkie zgodnie przyznają, że rynek ten gwałtownie się rozwija i tendencja utrzyma się przez kilkanaście lat. Drugim poziom blisko powiązany z pierwszym to 3D drukowana elektronika strukturalna, która jest dopiero w początkowej fazie, ale rynek ten może być wart 3,5 mld $ w 2032 r. Trzeci poziom dotyczy pozyskiwania energii, napędzany przez wymagania miniaturyzacji i autonomiczności urządzeń, przemysł 4.0 oraz internet rzeczy, ale boryka się z ograniczeniami odnośnie integracji EH w istniejące urządzenia elektroniczne, budynki, drogi, maszyny czy środowisko naturalne i agrarne. Właśnie element łatwej integracji w obudowy, albo dopasowanie do istniejących geometrii jest znaczącą przewagą proponowanych 3D drukowanych RFEH.