Page 1

INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Nanotechnologie

Kurz zajišťuje:

Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava Centrum nanotechnologií


I N V E S TI C E D O R O Z V O J E V Z D Ě L Á V Á N Í

Realizační skupina:

Garant:

Ing. Karla Barabaszová, Ph.D. e-mail: karla.barabaszova@vsb.cz

Lektoři:

Ing. Karla Barabaszová, Ph.D. Ing. Sylva Holešová Ing. Pavel Čech doc. Ing. Aleš Slíva, Ph.D.

Recenzenti:

Ing. Věra Valovičová, Ph.D. Ing. Monika Šupová, Ph.D.

© Karla Barabaszová, Sylva Holešová, Pavel Čech, Aleš Slíva, 2010 ISBN 978-80-7204-713-0


OBSAH Ú V O D ...................................................................................................................................... 5 1.

NANOTECHNOLOGIE A NANOMATERIÁLY PRO DOPRAVU ........................... 9 1.1 NANOMATERIÁLY A JEJICH VLASTNOSTI ........................................................................... 10 1.1.1 1.2

NANOTECHNOLOGIE V DOPRAVĚ .................................................................................. 15

1.2.1

Nanomateriály v automobilovém průmyslu .......................................................... 19

1.2.2

Nanomateriály v leteckém průmyslu .................................................................... 26

1.3 2.

Vlastnosti nanomateriálů pro dopravu .................................................................. 13

DOPRAVA V NANOTECHNOLOGIÍCH ............................................................................... 29

NÁHRADNÍ ENERGETICKÉ ZDROJE V DOPRAVĚ VYUŽÍVAJÍCÍ NANOTECHNOLOGIÍ .................................................................................................. 34

3.

2.1

BIOPALIVA .................................................................................................................... 35

2.2

FOSILNÍ ALTERNATIVY .................................................................................................. 40

2.3

VODÍK........................................................................................................................... 44

2.4

SOLÁRNÍ ENERGIE ......................................................................................................... 48

FOTOVOLTAIKA V DOPRAVĚ ................................................................................. 51 3.1

TECHNOLOGICKÝ VÝVOJ FOTOVOLTAIKY ..................................................................... 52

3.2

POUŢITÍ SOLÁRNÍCH ČLÁNKŮ V DOPRAVĚ ..................................................................... 62

3.2.1

Automobilová doprava .......................................................................................... 62

3.2.2

Letecká doprava .................................................................................................... 68

3.2.3

Ţelezniční doprava ................................................................................................ 73

3.2.4

Lodní doprava ....................................................................................................... 74

3.3 4.

NAVIGAČNÍ SYSTÉMY V DOPRAVĚ ................................................................................ 76

FINANCOVÁNÍ NANOTECHNOLOGIÍ V DOPRAVĚ .................................................... 79 4.1

MOŢNOSTI FINANCOVÁNÍ NANOTECHNOLOGIÍ V ČR ..................................................... 80

4.2

FINANCOVÁNÍ NANOTECHNOLOGIÍ V EVROPSKÉ ÚNII ................................................... 80

4.3

ROZPOČET 7. RP A 7. RP EURATOM .......................................................................... 84

ZÁVĚR ............................................................................................................................................................... 87 LITERATURA................................................................................................................................................ 88


ÚVOD Výzkum nových materiálů a nanomateriálů a rozvoj technologií jejich přípravy, představuje nesmírný význam v mnoha oblastech průmyslové sféry. K těm nejvýznamnějším, se kterými se můţe široká veřejnost seznámit téměř okamţitě, patří oblast elektrotechnického průmyslu. Nicméně, nezanedbatelnou oblastí je rovněţ oblast dopravy, a to především automobilový, letecký či lodní průmysl. Vývoj nanomateriálů s novými (popř. lepšími) vlastnostmi, jenţ se výrazně neprojevují u běţných materiálů, výraznou měrou přispívá k navyšování ekonomického potenciálu příslušných oblastí, do kterých spadají např. součásti automobilů, letecké komponenty, senzory, elektronika a elektrotechnická zařízení, měřící a diagnostické přístroje či technické textilie. V České republice je výzkum a vývoj nových materiálů finančně uspokojivě podporován a to jak na úrovni akademického výzkumu, tak na úrovni výzkumu průmyslového. Významná část výzkumu materiálů v dopravě se zaměřuje na oblast nanomateriálů pro mikroelektroniku. Jedná se o nanomateriály pro řídící a ovládací systémy, senzoriku, keramické nanomateriály pro speciální uţití (tj. pro práci za vysokých teplot a tlaků) a polymerní nanokompozity. V souvislosti s vývojem ekologicky šetrné dopravní techniky a s novými generacemi uchovávání energie nabývají stále na větší důleţitosti v dopravě nekovové materiály, (a to především polymerní nanomateriály), keramické a kompozitní nanomateriály. Vzhledem k tradicím silikátových polymerů v České republice, je moţným směrem i výzkum v oblasti pokročilých nanostrukturovaných polymerních materiálů na bázi silikátových superstruktur (např. silsesquioxanů). Vzhledem k rychlému růstu ceny ropy, souvisejícímu hlavně s postupným vyčerpáváním surovinových zdrojů, je jedním z rychle zesilujících trendů výzkum přípravy specifických materiálů z rychle obnovitelných zdrojů. Jedná se jak o extrakce technicky vyuţitelných polymerů přímo syntetizovaných rostlinami a ţivočichy, tak o genetické modifikace rostlin a ţivočichů schopných produkovat prekurzory pro nové syntetické materiály. Nezanedbatelný je také výzkum jiţ známých materiálů jako je vodík či vyuţití obnovitelných zdrojů získávaných ze sluneční energie. Díky výrazné podpory materiálového výzkumu nepřímo těţí výrobci surovin z rychle obnovitelných zdrojů a biotechnologické firmy produkující surovinovou základnu pro moderní funkční materiály. Obrovský nárůst je zaznamenáván ve výrobě a distribuci elektrické energie či výrobě zařízení vyuţívaných pro netradiční zdroje energie. V neposlední řadě se jedná i o výrobce bezpečnostních a ochranných systémů.

Nanotechnologie

5


Cílem předkládaného materiálu je uvést širokou veřejnost do problematiky současných trendů v oblasti nanotechnologií a nanomateriálů pro dopravní průmysl. Pozornost je soustředěna na dopravu automobilovou, nicméně rovněţ dopravě letecké je zde věnována pozornost obzvláště v souvislosti s náhradními energetickými zdroji. Karla Barabaszová

Nanotechnologie

6


SUMMARY Research on new materials and nanomaterials, and technology development of their preparation introduses a great significance in many fields of industrial sector. The most significant with which to acquaint the general public almost immediately is the electrical industry. However, it is also significant areas of transport, particularly the automotive, aerospace and marine industries. The development of nanomaterials with new/improved properties, which do not show up much in common materials, contribute significantly to increasing the economic potential of the areas i.e. car parts, aircraft components, sensors, electronics and electrical equipment, measurement and diagnostic equipment or technical textiles. The Czech Republic is a research and development of new materials sufficiently financially supported both at the level of academic research and at the level of industrial research. A significant amount of research materials in transport covers the area of nanomaterials for microelectronics. This is a nanomaterials for the management and control systems, sensors, ceramic nanomaterials for special use (i.e. for high temperatures and pressures) and polymer nanocomposites. Metal materials (especially polymeric nano-materials), ceramic and composite nanomaterials in the transport are becoming increasingly important in connection with the development of environmentally friendly transport technology and new generations of energy storage. Whereas the traditions of silicate polymer in the Czech Republic, the research on advanced nanostructured polymeric materials based on silicate superstructures (eg silsesquioxanů) is a possible direction. Considering the rapid growth of oil prices, mainly related to the gradual exhausting of mineral resources, a research on preparation of specific materials from rapidly renewable resources is one of the fast amplification of specific trends. It is both technically recoverable polymer extraction directly synthesized by plants and animals and the genetic modification of plants and animals capable of producing precursors for new synthetic materials. Also significant is the research of known materials such as hydrogen or the use of renewable energy sources derived from solar energy. Thanks to strong support for material research indirectly benefit producers of raw materials from rapidly renewable resources, and biotechnology companies producing the raw material base for modern functional materials. The huge increase is recorded in the production and distribution of electrical power or generating facilities used for non-traditional sources of energy. Finally, it is also the producer of security and protection systems.

Nanotechnologie

7


The aim of the publication is broad public to bring issues of current trends in the field of nanotechnology and nanomaterials for the transportation industry. Attention is focused on vehicular traffic but also air transportation is paid attention especially in the context of alternative energy sources.

Karla Barabaszovรก

Nanotechnologie

8


1.

NANOTECHNOLOGIE A NANOMATERIÁLY PRO DOPRAVU Kapitola 1, autor: Ing. Karla Barabaszová. Ph.D. V posledních letech dochází k výraznému vývoji nových materiálů a technologií,

přičemţ tento rozvoj vede ke zvyšování technologického potenciálu ve všech oblastech průmyslu. K těm nejvýznamnějším oblastem, ve kterých lze zaznamenávat nárůst nových materiálů, patří prokazatelně oblast dopravy (obzvláště automobilového průmyslu), elektrotechnického, elektrochemického, potravinářského a textilního průmyslu. Je známo, ţe rozvoj v automobilovém průmyslu roste velmi dynamicky a je tak jedním z nejsilnějších průmyslových odvětví. Sledování trendů a vlivu nových materiálů v dopravě je ve většině případů směřováno do oblasti automobilového a leteckého průmyslu, doprava ţelezniční je oblastí minoritní. Nezanedbatelnou oblastí je rovněţ oblast nových materiálů přispívajících k pohonným obnovitelným zdrojům pro dopravu. Pozornost bude věnována dopravě automobilové, zmíněné budou rovněţ poznatky z dopravy letecké. Zatímco do osmdesátých let minulého stolení byly v automobilovém průmyslu preferovány materiály na bázi ţeleza (resp. vysokopevnostní oceli), hliníku, hořčíku a jejich slitiny, jsou aţ do současnosti upřednostňovány kompozitní materiály, niklové slitiny a nové materiály (označované jako „high-tech“ materiály). Do skupiny nových materiálů jsou řazeny materiály kovové, keramické nebo polymerní - plasty, nezanedbatelnou skupinou materiálů jsou rovněţ slitiny titanu – obzvláště slitiny s tvarovou pamětí (angl. shape-memory alloy). Tyto nové materiály výraznou měrou ovlivňují spotřebu pohonných hmot, vedou ke sniţování hmotnosti vozů či zvyšování bezpečnosti, ale také odolávají korozi, jsou odolné vůči oxidaci za vysokých teplot anebo odolné vůči opotřebení [1]. S rozvojem nových výrobních technologií a metod jsou do dopravy (automobilového a leteckého průmyslu) začleňovanány rovněţ progresivní nové materiály, které se opírají mj. o rozvoj v oblasti nanotechnologií a nanomateriálů. V této souvislosti jsou stále více preferovány plastové materiály, resp. polymerní materiály. Dle současných studií lze těmito materiály nahradit značnou část ocelových částí vozů, kdy lze v běţných vozech nahradit na nosných a karosářských částech vozu aţ 50 % ocelového materiálu za materiál plastový, který vykazuje stejnou pevnost a kvalitu, ale váţí mnohonásobně méně.

Nanotechnologie

9


1.1 Nanomateriály a jejich vlastnosti Pojem „nanotechnologie“ je pouţíván jako společný pojem, který zahrnuje různé obory nanovědy a nanotechnologie [2]. Nanotechnologií je souhrnně označován výzkum a technologický vývoj na atomové, molekulární nebo makromolekulární úrovni, v rozměrech 1 100 nm. V oblasti dopravy a dopravního inţenýrství jsou však častěji formulovány termíny nananomateriály, resp. strukturované nanomateriály. Nanomateriály jsou takové materiály, jejichţ nové vlastnosti jsou určeny charakteristickými znaky (částice, klastry/shluky, dutiny) o rozměrech mezi 1 - 100 nm, přinejmenším v jednom směru. Z hlediska strukturního členění lze nanomateriály dělit dle jejich dimenzionality na (Obr.1.1) 3: 1) jednorozměrné (1D) - reprezentující nanovrstvy, tenké filmy, povlaky; 2) dvojrozměrné (2D) – typické pro nanodrátky, nanotrubice, nanovlákna; 3) trojrozměrné (3D) - charakteristické

pro nanočástice, nanoprášky nebo

kvantové tečky.

z x

x

y 1D

a)

x y

2D

b)

3D

c)

Obr. 1.1: Dimenzionální členění nanomateriálů a jejich příklady 3.

Nanotechnologie

10


Nanostruktura je základním prvkem nanomateriálů. Stavební jednotky nanomateriálů jsou definovány vlastnostmi jako je rozměr, tvar, atomová struktura, krystalinita, mezifázové rozhraní a chemické sloţení. Mezi strukturované nanomateriály patří fullereny, nanotrubice, tenké filmy/nanovrstvy, kvantové tečky, nanokompozity, fotonická krystalová vlákna apod. [4].

a)

b)

Obr. 1.2: Uhlíkaté nanostrukturované materiály: a) fullereny, b) nanotrubičky. Typickými

trojdimenzionálními

nanomateriály

jsou

nanočástice.

V oblasti

strukturovaných nanomateriálů se vyuţívají především nanočástice ve formě nanoprášků. Jejich typickými představitely jsou např. oxid titanu, zirkonia, ţeleza, hliníku a zinku (TiO2, Fe3O4, Al2O3, ZrO2 a ZnO), které nachází své uplatnění např. v kosmetických krémech, pleťových vodách a opalovacích krémech. Rovněţ výrobci skel vyuţívají TiO2 v podobě nanočástic pro optimální zatmavení skla. Nanočástice oxidu ţeleza (Fe2O3) se pouţívají jako základní přísada do rtěnek a líčidel, lze je také pouţít pro detoxikaci kontaminovaného území 5,6. S počátkem éry nanotechnologií a nanomateriálů jsou od 90. let minulého století spojovány

uhlíkaté

nanomateriály,

fullereny

a

trubičky,

které

zahájily

koncepci

nanotechnologií. Fullereny jsou molekuly tvořeny šedesáti atomy uhlíků (C60) uspořádanými pravidelně na povrchu jedné společné koule. Z Obr.1.2a) je patrné, ţe vazby mezi atomy uhlíku vytváří na povrchu koule vzor jako u fotbalového míče. Současně s fullereny byly také připraveny fullereny válcového tvaru, které jsou označovány jako uhlíkaté nanotrubky (nanotrubičky). Nanotrubice mají téměř v celém objemu stejnou tloušťku a mohou být jednovrstvé (angl. single walled nanotube – SWNT, Obr.1.2b) nebo vícevrstvé (multiwalled nanotube – MWNT). Jejich modul pruţnosti se blíţí teoretickému modulu, vyplývajícímu z Nanotechnologie

11


energie vazby mezi uhlíky, tedy 1 TPa, pevnost v tahu je předpokládána aţ 200 GPa). Mají schopnost zachycovat velké objemy plynů, iontů, vyztuţovat polymerní vlákna. Jsou schopny vést elektrický proud a teplo. Mohou se chovat jako polovodiče, coţ je vyuţíváno hlavně k miniaturizaci výpočetní techniky a zvýšení rychlosti počítačů. Tvoří jeden z nejperspektivnější materiálů, který mají nanotechnologie k dispozici 7,8. V oblasti elektrotechniky a povlakového inţenýrství jsou na části nástrojů a materiálů nanášeny nanostrukturní vrstvy / povlaky / filmy. Nanostrukturní vrstvy představují skupinu jednodimenzionálních strukturovaných nanomateriálů. Ve většině případů jsou tvořeny dvěma fázemi, koncentrovanámi do malých oblastí, jejich typická velikost je cca 100 nm nebo menší. Nanovrstvy mají za cíl chránit nástroje a namáhané materiály před oděrem, opotřebením, korozním anebo oxidačním působení. Pro tento účel se pouţívají např. vrstvy z uhlíku, jenţ mají senzorické vlastnosti, nanostrukturované polymerní filmy např. blokový kopolymer polyakrylové kyseliny a polycinnamoyloxyethylmethakrylátu. 5,6. Nanokompozitní materiály jsou obecně definovány jako materiály sloţené ze dvou nebo více různých sloţek, z nichţ alespoň jedna se v materiálu vyskytuje ve formě částic o velikostech jednotek aţ desítek nanometrů. Většinou se jedná o nanočástice aktivní látky (tj. látky se zajímavými magnetickými, elektrickými a jinými vlastnostmi) rovnoměrně rozptýlené v matrici. Jeden ze slibných bodů v současném rozvoji v materiálovém výzkumu je design a příprava organicko-anorganických nanokompozitů, které výrazně navyšují a současně poskytují nové vlastnosti materiálů, které neexistují u individuálních organických a anorganických materiálů. Nanokompozity jsou děleny do několika podskupin dle sloţení materiálů: nanokompozity na bázi kovů (tj. kov/kov, kov/keramika, kov/intermtalikum a kov/sklo), keramické nanokompozity (oxid/oxid, tvořící skelné keramiky, neoxid/neoxid) a polymerní nanokompozity (polymer/sko, polymer/keramika, polymer/neoxid a polymer/kov) 9,10. Velká pozornost je v současnosti věnována přípravám nanokompozitů, interkalací organických částic do anorganických hostitelských materiálů. Strategický vývoj je upřednostňován v oblasti polymerních anorganických kompozitů. Jako anorganické sloţky jsou vyuţívány trojdimenzionální struktury jako jsou zeolity; dvojdimenzionální vrstevnaté sloţky jako jílové minerály (montmorillonity, kaolinity), kovové oxidy (V2O5, MoO3), fosforečnany

(α-Zr(HPO4)·H2O,

VOPO4·2H2O),

fosforitany

(Na(UO2PO4)·nH2O),

chalkogenidy (CdPS3); a jednodimenzionální materiály jako (Mo3Se3-)n řetězy a klastry.

Nanotechnologie

12


Polymerní nano/kompozity jsou systémy, kde je k polymeru přidáno plnivo za účelem zlepšit některé z fyzikálně mechanických vlastností nebo sníţit cenu. Plniva, která jsou přidávána k polymerům, kladně ovlivňují řadu charakteristik plněné polymerní matrice v porovnání s neplněnými polymery, např. sniţují hořlavost. Hlavním důvodem studia a přípravy polymerních nanokompozitů je jejich velký aspektní poměr (tj. 10 - 1000), který umoţňuje dosáhnout stejného nebo i lepšího účinku úpravy vlastností na rozdíl od běţně pouţívaných kompozitů. Vlastnosti nanokompozitů se odvíjejí jednak od sloţení, ale zároveň také velikosti částic, jejich morfologie a uspořádání. Kompozitní nanomateriály mají velmi široké pouţití, např. ukládání informací, magnetické chlazení, ferofluidy, zobrazovací metody v medicíné, různé senzory, elektromechanické a magnetomechanické měniče, antiseptická vlákna atd. 9.

1.1.1 Vlastnosti nanomateriálů pro dopravu O vlastnostech nanomateriálů rozhoduje nejen chemické, ale i strukturní sloţení. Pokud je alespoň jeden rozměr struktury materiálu v rozměrové oblasti 10 -9 – 10-7 m, objevují se významné změny ve vlastnostech tohoto nanomateriálu ve srovnání s podobnými materiály, sloţenými ze struktur o větší velikosti [4]. Nanomateriály, resp. nanočástice, ve srovnání s „běţnými“ částicemi vykazují v primárním pohledu hlavně odlišné fyzikálně-chemické vlastnosti, ke kterým patří např. změna barvy (zlaté nanočástice jsou červené, Obr.1.3), tepelné chování, mechanické vlastnosti - pevnost, rozpustnost, vodivost anebo katalytickou aktivitu.

a)

b)

Obr. 1.3: Barevné změny zlata ve formě: a) zlatého plechu 11, b) nanočástic 12. Nejvýznamnější vliv na chování nanočástic má změna poměru povrch/objem. Objem se s velikostí sniţuje, ale podíl atomů na povrchu částic se zvyšuje. Z tohoto důvodu převaţují

Nanotechnologie

13


povrchové vlastnosti nanočástic nad vlastnostmi objemovými. Této vlastnosti se v převáţné míře vyuţívá k modifikaci povrchu materiálu. K jedněm z nejznámějším přínosům nanotechnologií, resp. nanomateriálů, které vyuţívají vlastností strukturně modifikovaného povrchu patří lotosový efekt. Inspirací pro vznik těchto materiálů byly mimo jiné povrchové vlastnosti listů leknínu, který díky svému povrchu (Obr.1.4) se chová extrémně hydrofobně [13], která vycházející z jeho mikro- a nanoskopické struktury povrchu. Na základě tohoto efektu jsou v současnosti materiály ošetřovány a zpracovávány vrstvami sloţenými z nanometrických částic a vrstev (např. teflonu, ZnO, TiO2 apod.), které formují hydrofobní povrchy o následujících vlastnostech: samočisticí, antibakteriální, nepřilnavý, snadno udrţitelný (např. textilie všeho druhu), ochránící proti škrábancům, zvyšují a prodluţují hygienickou čistotu nebo odolávají povětrnostním vlivům [14,15].

a)

b)

Obr. 1.4: Lotosový efekt : a) nanopovrch leknínových listů [13], b) příklad nanometricky ošetřeného hydrofobního povrchu.

Nanotechnologie

14


1.2 Nanotechnologie v dopravě Automobilová doprava je v současnosti nejčastěji sledovaným a vysokým srovnávacím měřítkem v průmyslové vyspělosti jednotlivých států. Pouze několik států má vyvinutý stabilní a prosperující automobilový průmysl a udává směr nových trentů. Mezi tyto státy patří hlavně Japonsko, Korea, Indie, Německo a Spojené státy. Právě majoritní automobilové společnosti těchto států udávají významné trendy v rozvoji a aplikaci nových materiálů, resp. nanomateriálů. Automobily jsou charakteristickým znakem rozvoje z důvodu více jak stoletého procesu jejich neustále se rozvíjejích prvků nejenom vzhledových, ale také funkčních. Nové automobily nejsou tak rozdílné jako prototypy např. nových televizorů nebo telefonů, které rovněţ zaznamenávání enormní vývoj v posledních několika letech. Je zjevné, ţe enormní změny v těchto prototypech jsou spojovány s minimalizací. Obecné příklady je moţné sledovat na Obr.1.5. Je zjevné, ţe v dopravě je pozornost minimalizace zaměřována hlavně na jedlivé díly (součásti) dopravních prostředků. Běţný uţivatel svou pozornost při prvním náhledu zaměřuje na koncepci designu exteriéru a interiéru. Další hodnotící kritéria se však běţně soustřeďují na materiály, které se velikostně pohybují na úrovni několika desítek centimetrů (brzdné destičky, typ potahu sedadla, motor, karosérie, zapalovací svíčky apod.). Současným průkopníkem v oblasti minimalizace je TATA Nano automobil od indické automobilové společnosti, který jako jeden z mála zaznamenává minimalizaci v celkové velikosti automobilu, hmotnosti, která pomáhá maximalizovat výkon na jednotku spotřebované energie. Jeho výkon je řízen speciálně konstruovanými elektronickými systémy řízení motoru. A to aniţ by docházelo ke sniţování konfortu cestujících a bezpečnostních norem (nově koncipované

deformační zóny, bezpečnostní pásy, silné sedadla a kotevní

úchyty) 16. Rozměrová škála 1 – 10-5 m představuje v dopravním průmyslu velkou propast, ve které se nachází pouze soustavy materiálů tvořící řídící celky v dopravě. Jednotlivé dílčí celky lze sledovat aţ podkročemím niţší z mezí. Odvrácenou stranou minimalizace, resp. moţností vyuţití nových technologických metod k analýzám materiálů souvisejících s dopravním průmyslem, bylo zjištění, ţe jako vedlejší produkt dopravy (hlavně brţdění – vznikají jemné a ultrajemné částice a výfukové plyny je rovněţ obsahující) je vznik zněčišťujících látek, které velkou měřou přispívají ke vzniku smogové situace ve velkých městech. Pevné částice vznikající v dopravě zahrnují Nanotechnologie

15


částice jemné i hrubé frakce, které se odlišují svým sloţením, ale i mechanismem vzniku. Zatímco hrubé frakce částic vznikají převáţně v okolí frekventovaných silnic a jsou důsledkem spalování nafty a mechanických otěrů povrchů, které zahrnují obrušování povrchu vozovek, pneumatik, brzdových destiček anebo cyklickým vířením částic deponovaných na povrchu vozovky. Naopak jemné frakce částic vznikají ve spalovacích prostorech konverzí polutantů z plynů do částic nukleací v atmosféře 17. Právě vznik pevných částic (ve většině případů manometrických částic organického a anorganického původu) jsou odvrácenou stranou vzrůstající produkce částic z průmyslu a dopravy, obzvláště silniční. V této souvislosti jsou kladeny na dopravní prostředky vysoké nároky. Ty do jisté míry také splňuje TATA Nano automobil, který díky vysoké účinnosti paliva zajišťuje, ţe automobil má nízké emise oxidu uhličitého 16,18. Jedním z moţných řešení pohonu je elektrická energie, solární energie nebo vodík 19,20.

Brzdové destičky

1m 10-1 m

100 mm

10-2 m

10 mm

10-3 m

1 mm

10-4 m

100 mm

10-5 m

10 mm

10-6 m

1 mm

TATA Nano

Zapalovací svíčka

Smog MEMS

Nanostroje

-7

10 m

100 nm Nanomotor

10-8 m

10 nm

10-9 m

1 nm

10-10 m

0,1 nm

NEMS

Obr. 1.5: Nanoměřítko v dopravě, doprava v nanoměřítku 21-25.

Nanotechnologie

16


Mezní hranicí mikro a nanomateriálů pro dopravu je elektronika, která nyní ovlivňuje všechny vědní obory, přičemţ významné postavení mají v tomto světě mikro a nanosenzory, mikro (MEMS) a nanomechanické systémy (NEMS). Pod pojmem senzor si lze představit konvertor či detektor fyzikální veličiny (poloha, rychlost, zrychlení, síla pole, koncentrace látky), která je převáděna na elektrickou energii (signál). MEMS nezahrnují jen oblast elektroniky, ale rozumějí se jimi i jakákoliv jiná zařízení v rozměrech řádu mikrometrů (10-6 metru). MEMS jiţ pronikly do technologické praxe – nelze si bez nich představit např. airbagy v autech, hlavy pevných disků a spoustu dalších komponent pro výpočetní elektroniku nebo měřicí techniku. Někdy se povaţují MEMS a nanotechnologie za jednu oblast. Jindy se oddělují – kvůli odlišné technologii výroby, odlišným funkcím, vlastnostem a jiným potenciálním aplikacím. Pomocí přístrojů na bázi MEMS lze manipulovat i s některými nanosystémy, NEMS (Nano Electro Mechanical Systems) 24.

Obr. 1.6: Mikroroboti vs. nanostroje 24. Ústředním pojmem MEMS jsou transducery (převodníky elektrické energie na mechanický aj. fyzikální pohyb či fungující opačným směrem – první případ se nazývá aktuátor či motor, druhý a opačně směřující je senzor, čidlo). Cílem je integrace elektronických a komunikačních obvodů (mozek) s mikrosenzory (čidla) a výkonnými členy Nanotechnologie

17


(ruce a nohy), případně i s vlastními mikrozdroji energie. Výsledkem má být inteligentní mikrosystém – mikrorobot, který si dobře rozumí s okolním prostředím (Obr.1.6) 24. V oblasti mikroelektromechanických systémech (MEMS) se rozvíjí kvalitativně nové generace senzorů, které reprezentují technologie ve výrobě součástek umoţňující realizovat kromě vrstevnatých struktur běţných v mikroelektronice také miniaturní, mechanicky pohybující se části. MEMS se odkazují na mikroskopická zařízení, které jsou charakteristické délkou menší jak 1 mm, ale ne více jak 1 m a kombinují elektrické a mechanické prvky. Nanoelektromechanické systémy (NEMS) odpovídají nanoskopickým zařízením, jejichţ délka je menší jak 1 m a rovněţ jsou tvořeny elektrickými a mechanickými prvky. V případě překryvu těchto rozměrových škál, kdy funkční sloţky dosahují jak mikro- tak nano- rozměrů nebývají tyto systémy jasně charakterizovány, pouze označovány jako MEMS/NEMS (Obr.1.7) 26,4,27.

a)

b)

Obr. 1.7: MEMS/NEMS [28-30]: a) nanopinzeta jako optický detektor, b) oscilátor. V případě dopravy je nutné nahlíţet na problematiku nanotechnologií, resp. nanomateriálů ze dvou stran: 1) nanotechnologie - nanomateriály v dopravě; 2) doprava v nanotechnologiích – nanomateriálech. Rozdíly v jednotlivých náhledech jsou nastíněny v následujících kapitolách.

Nanotechnologie

18


1.2.1 Nanomateriály v automobilovém průmyslu Nanomateriály sehrávají klíčovou úlohu v automobilové výrobě, obzvláště v oblasti doplňkových a nebo náhradních dílů. Z materiálového hlediska jsou preferovány nanokompozity, povlaky a laky, nanokatylyzátory, nanodiperze a nanoaditiva v lublikantech, pohonných hmotách a chladících kapalinách. Nezanedbatelnou skupinou jsou ovšem také nanočástice kovů či speciální nanometrické fólie. Tedy materiály, které umoţňují díky svým „novým“ vlastnostem zajistit nové postupy pro vyuţití vedoucímu ke sníţení emisní náročnosti provozu (moderní katalyzátory), zvýšení odolnosti mechanického porušení materiálu (nanoplniva kompozitních materiálů, nátěrové vrstvy odolné vůči poškrabání) anebo nanomateriály přispívající k získání nových / obnovitelných zdrojů energie (fotovoltaika) apod. Detailní příklady vyuţití různých typů materiálů a nanomateriálů, jejich oblast vyuţití v automobilovém průmyslu lze sledovat na Obr.1.8.

polypropylenové a termoplastické olefinové nanokompozity

jíl/nylon nanokompozity

nanokovy odolnost proti opotřebení

odolné vůči poškrábání

upevňovací části

lepší ovládání elektronika

odpruţovací systém

nízká hmotnost

nanočástice

zvyšující teplotní toleranci

zvýšení komforu větší tuhost

nanokeramika

nanoprášky

pneumatiky

Automobilové aplikace

externí/interní části

katalyzátory, konvertory, palivové články, baterie

redukující emise redukující otěr elektrostaticky odolné

dodávky paliva motorové části lublikanty

propustnost

lublikační

tvrdost uhlíkaté nanotrubičky

UV rezistence

nanočástice

samočistící samoopravné korozní odolonost

nanovrstvy quantové tečky

transparentnost vodě a špíny odpoudivé diamantové nanovrstvy

vodivé polymery s uhlíkatými nanoterubičkami

Obr. 1.8: Automobilové aplikace nanomateriálů a z nich plynoucí vlastnosti.

Nanotechnologie

19


Nejslibnější aplikace nanotechnologií (obzvláště nanomateriálů) v automobilovém průmyslu lze spatřovat v [31]: 

implementaci nových nanomateriálů s definovanou strukturou, např. uhlíkatých nanotrubičkách nebo fullerenech;

zlepšení mechanických, tepelných a designových vlastnostech plastů;

nátěrech odolávajících opotřebení a korozi a tvořících permeační bariéry;

chladicích kapalinách s lepšími tepelně izolačními vlastnostmi;

kovových slitinách s vyšší mechanickou pevností;

pájecích materiálech s dobrou odolností nebo niţší teplotou zpracování;

bateriích pro vozidla na elektrický pohon a palivové články s vylepšenou energetickou kapacitou;

automobilových senzorech s nano-snímacími prvky, nanostroje aj.

Nanočástice a nanoprášky jsou typy strukturovaných nanomateriálů, které nalézají uplatnění rovněţ v automobilovém průmyslu. Díky jejich vysokému povrchu jsou vhodnými materiály hlavně pro katalytické procesy, které výrazně sniţují emise nebezpečných látek znečišťujících ţivotní prostředí. Doposud byly jako výborné katalyzátory vyuţívány částice platiny. Bylo zjištěno, ţe nanočástice platiny jsou nejenom finančně levnější, ale hlavně jejich účinnost je aţ o 50% vyšší. Jako slibné se rovněţ jeví platinové kompozity. Obdobně magnetické nanočástice jsou slibnými materiály v dopravě v oblasti tlumičů, resp. v případě tlumení nárazů. Magnetické kapaliny jsou tvořené z magnetických nanočástic v tekuté suspenzi. V závislosti na velikosti nanočástic můţe kapalina na základě změny magnetického pole měnit svou viskozitu, čímţ výraznou měrou přispívá k aktivnímu tlumení. Některé magnetické kapaliny mohou přetransformovat do téměř pevného stavu, čímţ lze dynamicky měnit „tuhost“ tlumícího efektu. Díky tlumičům s magnetickými kapalinami obsahujícími nanočástice lze dosáhnout velmi plynulou jízdu, která tak zvyšuje komfort řidiče 32. Nanokompozitní materiály v automobilovém průmyslu lze rozdělit do tří základních skupin 33: 1)

kompozitní materiály vystuţované nanoplnivy (často minerálními nanoplnivy) s vyuţitím pro kontrukční díly;

2)

kompozitní materiály vystuţované přírodními vlákny (často lněná vlákna) pro vnitřní aplikace;

3)

kompozitní materiály vystuţované uhlíkatými vlákny a uhlíkatými nanotrubičkami, vyuţívané pro strukturní části (podlahových karosérií, příčných nosníků, surové karosérie, otvorů apod. Nanotechnologie

20


Nejčastější skupinou jsou nanokompozitní materiály s polymerními matricemi. K těmto materiálům patří např. kaučukové nebo polymerní nanokompozity. Automobilový průmysl ověřuje moţnosti vyuţití polymerních nanokompozitů na výrobu dílů, které mají malou hmotnost a přitom velkou pevnost (resp. mechanickou odolnost) 34. Unikátní vlastnosti nanokompozitů (obzvláště polymerních) jsou vyuţívány hlavně pro přípravu nové generace nátěrových hmot. V případě nátěrových hmot a povrchových úprav lze pouţitím nanoplniv očekávat zlepšení odolnosti proti poškrábání, zlepšení tepelné odolnosti, vzrůstu tvrdosti, zlepšení oděruvzdornosti, zlepšení bariérového efektu, zvýšení odolnosti proti UV záření, sníţení koeficientu tření na povrchu úpravy, sníţení hodnoty expanzního koeficientu, sníţení prostupnosti vůči kapalinám, sníţení hořlavosti. Je tak moţné ovlivnit nejen ţivotnost materiálu, ale také zvýšit aplikační moţnosti těchto materiálů 35. Povrch je hodnocen jako „obálka“ makroskopického objektu, která tvoří hranici mezi základním materiálem a okolím. Povrch objektu určuje jeho vzhled a tvoří rozhraní mezi dvěma fázemi. U velkých objektů s malým poměrem povrchu k jeho objemu jsou fyzikální a chemické vlastnosti povrchu určeny především vlastnostmi základního materiálu. U malých objektů s velkým poměrem jsou jejich vlastnosti výrazně ovlivněny povrchem. Funkční vlastnosti povrchu nejsou závislé jen na vnější vrstvě, která tvoří rozhraní, ale také na oblasti směřující pod povrch. Nanonátěry mohou plnit i širokou paletu nových funkcí mimo obvyklou ochranu. Pouţití superhydrofobního povrchu připraveného díky nanomateriálů, otevírá cestu k vytvárení snadno čistitelných produktů [36]. Materiály (nanomateriály) pro nátěrové hmoty vykazují silnou hydrofobnost či anitibakteriální účinky, případně schopnost za určitých podmínek (např. po UV ozáření) rozkládat nečistoty na tyto povrchy uchycené [37]. Jedná se o nanomateriály, které jsou schopné za určitých podmínek regenerovat či jinak opravit samy sebe, případně jinou látku. Velmi často se s tímto účelem pouţívají polymery. Nanonátěry mají mnoho aplikací, jenţ vyuţívají nových funkčních vlastností (mimo obvyklou ochranu) jako jsou nanobarvy, okna a postranní stěny, které jsou tvořeny nanočásticemi. Ty filtrují sluneční paprsky, kouř a jiné polutanty atmosféry 39. Dalším pozitivním vlivem lotosového efektu je schopnost uzavření miniaturních otvorů. A to se právě vyuţívá v oblasti lakování, konkrétně při výrobě čirých laků – nanolaků. Ty vytvoří na povrchu karoserie nanostrukturu a takto ošetřené povrchy pak mají ochranné účinky a vyţadují mnohem méně údrţby. Nespornou výhodou nanolaků je vysoká chemická a

Nanotechnologie

21


mechanická odolnost (např. proti kyselým dešťům, poškrábání atd.). Laboratorní i praktické testy prokazují minimálně 3x vyšší odolnost proti poškrábání a o 40% vyšší lesk [40].

a)

b)

Obr. 1.9: Příklad působení vodní kapky na povrch ošetřený a) 5 m částicemi a b) 1nm nanočástice 38. Rovněţ v oblasti skel a jejich následné povrchové úpravy nachází nanotechnologie stále větší a větší uplatnění. První výsledky aplikace nanomateriálů na bázi anorganickoorganických hybridních polymerů Ormocer u ISC, resp. Nanomer z INM byly vystavovány jiţ na prvním ročníku veletrhu Materialica v roce 1998. Uvedené materiály, tvořící vrstvy tenké jen desítky aţ stovky nanometrů, slouţily pro ochranu plastových lup a brýlových skel před poškrábáním [41,43]. Pokrytím povrchu skla nanočásticemi SiO2, platiny nebo nanovrstvami diamantu nedochází díky přítomnosti nanočástic ke sráţení vody na skle nebo vypařování alkoholu z povrchu. Povrch tak zůstává stále suchý a „nepotí se “. Speciální vlastnost takto upraveného skla se vyuţívá např. pro skla automobilů, brýlí či u koupelnových zrcadel 4244. Toto řešení má ale jednu velkou nevýhodu - na rozdíl od kapek vody (Obr.1.9), olejové částice zůstávají velmi dobře na povrchu, a za jistých podmínek mohou vlivem Nanotechnologie

22


elektrostatického náboje zůstávat přichyceny i ostatní nečistoty, především prachové částice. Tuto hydrofobní úpravu je také nutné po určitém čase pravidelně obnovovat. Poslední z uvedených úprav povrchu skel vyuţívající nanotechnologie je superhydrofobní úprava skla (upravenou produktem NANO-WIPE). Způsob nanometricky upraveného povrchu se jeví jako nejideálnější v případě odpuzování nečistot, ale nese s sebou jisté nevýhody, které zatím zabraňují praktickému pouţití. Největší nevýhodou superhydrofobní úpravy je nedostatečné propouštění světla. V dnešní době je moţné vyrobit tenké průsvitné vrstvy, ale nikoliv průhledné. Také je zde problém se stabilitou výsledné vrstvy s ohledem na to, jak je slabá [40,45]. Zvláštní skupinou materiálů se samoopravnou schopností jsou antikorozivní samoopravné vrstvy, které by mohly nahradit toxický chrom pouţívaný k zvýšení odolnosti materiálu proti korozi. Jedná se o povrchový film tvořený nanopolymery a inhibitorem zpomalujícím průběh koroze. Pokud dojde ke korozi, je tato zkorodovaná část nahrazena právě polymerem (Obr.1.10) [43]. V posledních letech se ale ukazuje, ţe při vývoji samočisticích skel lze přece jen vyuţít nejen chemických, ale i fyzikálních vlastností nanočástic křemíku. Michael Rubner a Robert Cohen z Technologického institutu v Massachusetts (MIT) pokryli skla střídavými vrstvami nanočástic křemíku a molekul speciálního polymeru. Mezi nimi zůstávají dutinky, do kterých se nasává voda jako do houby. Kdyţ se póry zaplní, voda stéká pryč z okraje skla. Povrch se nezamlţuje ani nad hrncem s vroucí vodou 44. V současné době je rovněţ soustředěna pozornost na rozvoj vrstevnatých (Ti, Al)N systémů s vysokým obsahem Al pro zlepšení odolnosti vůči oxidaci za vysokých teplot a tzv. nanovrstev s vysokou houţevnatostí. Idea vytváření nanovrstev, tedy vrstev tvořených soustavou velmi tenkých vrstev s tloušťkami odpovídajícími atomárním mříţkám, je obecně motivována vlastnostmi multivrstev. Pokud se dodrţí podmínka přesné a konkrétní tloušťky jednotlivých vrstviček, ovlivní se krystalografická struktura vrstev a dosáhne se výrazně zvýšené tvrdosti vrstvy 45. K jedněm z nejvíce vyvinutý příkladů vyuţití nanotechnologií v automobilovém průmyslu zahrnuje produkce barev, které jsou tvořeny manometrickými nanočásticemi a prášky. Tyto speciální barvy jsou pouţívány hlavně na laky automobilů. Ty vytváří specifický povrch, který automaticky zaceluje sám sebe kdykoli je poškrábán nebo poskvrněn nějakým cizím tělesem nebo barevným defektem - skvrnou. Tento produkt pracuje s barvou uvolňující barevné nanočástice, které se automaticky rozprostřou a zakryjí poničenou plochu [46].

Nanotechnologie

23


Obr. 1.10: Nahrazení zkorodované části polymerem [42,47. Dnešní čiré laky, které se skládají z organických molekul, mají dlouhé uhlíkové řetězce. Nanolaky vyvinuté v roce 2002 firmou DaimlerChrysler však obsahují anorganické křemíkové částice. Tyto jsou vázány organickými polymery a mohou být, díky svým velikostem, hustě propojeny. Takto hustě propojené částice jsou příčinou zvýšené tvrdosti a také odolnosti proti poškrábání a dalším nepříznivým vlivům počasí. Kromě ochrany proti mechanickému poškození mohou tyto nanolaky hrát také důleţitou roli v ochraně proti procesům chemickým, jako je například koroze. Mohou vytvořit „obal“, chránící proti vodě a chemikáliím. Tento „obal“ můţe být navíc vyroben přesně na míru poţadavkům zákazníka a můţe tak představovat komplexní ochranu karoserie auta do různých extrémních podmínek. Do budoucna jiţ firmy pracují na takzvaném samoobnovitelném nástřiku. Drobné šrámy, škrábance a poškození na původním laku automobilu by pak uţ nemusely být důvodem k nákladným opravám a přestříkáváním velké části karoserie, ale nanokapsle, nastříkané na okraj poškozeného místa, vyloučí katalyzátor, který reaguje s původním nátěrem a drobné kapičky funkčního polymeru poté vyplní a uzavřou šrám. Dojde tak k „samoopravě“ a obnoví se ochrana karoserie proti korozi [42,47].

Nanotechnologie

24


Souhrnně lze konstatovat, ţe v oblasti nových trentů v dopravě lze shledávat dva základní směry vyuţití nanomateriálů, nanomateriálů na bázi nanokompozitů a nanonátěrů (nanolaků a filmů). Aplikace těchto nanomateriálů však představuje i mnohá úskalí ve vztahu k zákazníkovi, výrobcům nebo distributorů automobilů. Tabulka 1.1 a 1.2 nastiňuje moţné pozitivní a negativní účinky těchto materiálů v automobilovém průmyslu. Tabulka č. 1.1: Spotřebitelské směry nanonátěrů a nanovrstev [46]: Řetězová hodnota účastníka

Klíčová hodnota nanotechnologií

Přínos / ztráta

Zákazník

Méně časté mytí automobilů. Méně častá výměna autoskel.

Zákazník

Navýšení počtu nanopovlaků uplatněných Ztráta na náhradních dílech.

Výrobce automobilů

Redukce garancí za pojistné události.

Přínos

Výrobci povlaků

Nárůst prodeje nanopovlaků.

Přínos

Myčky aut, specializované Auta jsou méně častěji myta. obchody

Ztráta

Výrobci autoskel

Ztráta

Méně častá výměna autoskel.

Přínos

Tabulka č. 1.2: Spotřebitelské směry nanokompozitních materiálů [32-34]: Řetězová hodnota účastníka

Klíčová hodnota nanotechnologií

Přínos / ztráta

Zákazník

Niţší spotřeba paliva. Více vyměnitelných částí a lepší funkce.

Přínos

Výrobce automobilů

Úspora nákladů nanokompozitů nad tradičními mastkem-plněnými kompozity. Snadší výroba: větší desingnová flexibilita; pouţití lehčích motorů a odpruţení.

Přínos

Plastové doplňky

Navýšení v mnoţství plastových doplňků v automobilu.

Přínos

Nanojílové doplňky

Navýšení prodeje.

Přínos

Chemické společnosti

Niţší palivová spotřeba.

Ztráta

Dodavatelé tradičních mastková plniva

Redukce prodeje.

Ztráta

Nanotechnologie

25


1.2.2 Nanomateriály v leteckém průmyslu Také v oblasti leteckého průmyslu představují obrovský potenciál nové materiály, resp. nanomateriály. V této souvislosti je přínos těchto materiálů zvaţován ve dvou časových horizontech: krátkodobém a dlouhodobém. V krátkodobém horizontu lze s vyuţitím nanomateriálů předpokládat: a) niţší hmotnosti materiálů a získání vyjímečných mechanických struktur zaloţených

na

nanokompozitech,

obzvláště

vyuţívaných

pro

proměnlivé/různorodé prostředí jako jsou vysoké teploty; b) vylepšené a menší systémy pro kontroly zaloţené na mikrosystémech, na „chytrých“ nanomateriálech a nebo na úloţných ovládacích prvcích pro aplikace on-line monitorování, samokalibrace a samoregulace; c) teplotní a mechanické ochranné vrstvy s vyjímečnými tribologickými vlastnostmi pro motory nebo brzdící části zaloţené na nanostrukturoaných materiálech; d) filtrace, mytí a absorpce neţádoucích sloţek získných z aerogelů. U dlouhodobých aplikací jsou předkládány aplikace zaloţené na strategicky ovládaných nanomateriálech, které budou imitovat přírodu nebo na bázi molekulárních nanotechnologií. Za předpokladu, ţe všechny tyto moţnosti budou přinášet reálné produkty a povedou k nových technologiím budou moci překonat: a) technické poţadavky kladené na tyto materiály, b) splňovat přísné předpisy a standardy související s leteckou dopravou, c) cenu, d) budou muset být produkovány v dostatečně velkém mnoţství. V roce 2005 byly zahájeny realizace projektů vědecko-výzkumných aktivit (CEEX programu) věnovaných nanotechnologiím a nanomateriálů pro leteckou dopravu. V rámci těchto projektů je hlavní pozornost věnována vývoji třech typů kompozitních materiálů zaloţených na uhlíkatých (uhlíkaté nanotrubičky), zirkoniových (ZrO2) a keramických nanometrických aditivech. V případě letadlových konstrukcí nanokompozity reprezentují velmi progresivní řešení. Obzvláště materiály pro vysoké teploty, mezi které patří nanokompozity na bázi uhlíkuhlík byly jako první vyvíjeny a pouţity v kosmických technologiích (jako individuální

Nanotechnologie

26


komponenty a rakety, vozítka pro zpětný návrat, prostory raketoplánů a brzd na obloţení a materiály brzdných disků pro civilní a armádní letadla). Dalšími perpektivními materiály v letecké dopravě jsou nanokompozity a kompozitní gradientní materiály se zirkoniovými mikro a nanostrukturovanými aditivy (ZrO2). Vlastnosti těchto materiálu jsou vyuţívány v převáţné míře pro materiály určené pro tepelnou izolaci (ochranu). Třetí skupinou jsou skupiny kompozitních materiálů s nanoaditivy keramických matric, které reprezentují potenciálně jedinečné řešení pro kryty anténních radarů nadzvukových letadel. Polymerní kompozity, resp. nanokompozity hrají klíčovou úlohu v obou dopravních oblastech jak letecké dopravy, tak automobilové. Polymerní nanokompozity jsou vyuţívány hlavně díky své nízké ceně, snadné technologické přípravě a velkému spektru vlastností, jenţ jsou

schopny

poskytnout.

Jako

aditiva

jsou

pro

polymerní

matrice

vyuţívány

dvojdimenzionální nanomateriály, ke kterým patří uhlíkaté nanotrubičky, modifikované struktury jílových minerálů, uhlíkatá nebo skleněná vlákna 48. Rovněţ organicky modifikované silikátové nanokompozity v polymerní matrici jsou materiály vykazující zlepšující stabilitu jako je tuhost, pevnost a bariérové vlastnosti polymerů měnících obvyklé technické zpracování.

Obr. 1.11: Základní inovace nanokompozitními materiály v letecké dopravě 49. Nátěrové hmoty nachází rovněţ mnoho aplikací v leteckém průsmylu: zvyšují ţivotnost, splehlivost; odolnost vůči korozi, skluz a otěr abraze, nebo zlepšují porvchovou kvalitu, a vedou ke korozní odolnosti vrstev pro boj proti důlkové korozi, exfoliaci, oxidaci

Nanotechnologie

27


nebo teplotní korozi, nebo jako teplotní bariéry pro dopravní prostředky nebo letadla rychlostních převodovek. V současné době ve vývoji vznikají vícefunkční nanovrstvy pro letecký a kosmický prostor, které vedou k ochraně proti korozi pouţitím zdravotně nezávadných materiállů; smyslem je ochránit proti korozi a mechanickému porušení pláště letadla. Zde přichází v úvahu mnohé modelové typy nanostrukturovaných vrstev, jako: nanokompozitní vrstvy, nanometrické vícevrstvé povlaky, supermříţkové vrstvy, nanostupňové vrstvy atd. Nanoporézní materiály nebo nanočástice jsou dalšími materiály, např. pro vzdušné filtry, součástí výroby a skladování/ukládání energie, senzory apod. Zde jsou další nanomateriály, které mají obrovských potenciál pro aplikace ve vzdušném prosotru 50:  nové nanoporézní filtry a senzory pro komfort a bezpečí, kontrolu kvality vzduchu;  sníţení hluku pomocí kontrolované velikosti nanopórů;  nové katalyzátory: heterogenní katalyzátory vyuţívající nanočástic o velikost 1-50 nm (jako jsou zeolity a nové syntetické materiály s velkým povrchem);  senzory na bázi nanočástic.

Nanotechnologie

28


1.3 Doprava v nanotechnologiích Druhým náhledem na nanomateriály v dopravě představuje „doprava / pohyb v nanoměřítku“, resp. vyuţití nanomateriálů vyuţívaných a simlujících transportní proces. V laboratořích nanochemiků a technologů se provádějí syntézy stále většího počtu produktů, které napodobují kontrukce ministrojů a minirobotů jako jsou písty válců, loţisek, ozubených koleček pro nanomotory, nanovrtule. Nejčastěji jsou však tyto kontrukce definovány jako nanoroboty, které představují nebiologický stroj o velikosti do 10μm. Předpokládá se, ţe velikosti součástí pro tyto strojky se pohybují v řádu jen několika nanometrů. Prvotním takovým příkladem byla molekulární diferenciální převodovka vytvořená Dr. Drexlerem 51. Příprava takových systémů je nejenom technologicky náročná, ale také finančně, jejich vyuţití je v současnosti minimální.

Obr. 1.12: Nanoroboti v krevním řečišti, nanoroboti v krevním řečišti 51,52. Za nanorobot lze rovněţ povaţovat za přístroj, který ovlivňuje nanoskopické objekty nebo s nimi manipuluje. Za tohoto předpokladu by mohly být za nanoroboty povaţovány i makroskopické přístroje, jako je například mikroskop atomárních sil (AFM) nebo skenovací tunelový mikroskop (STM). V současné době se hovoří o nanorobotech či nanostrojích a jejich výzkumu hlavně v souvislosti s medicínou, resp. nanomedicínou. Předpokládá se, ţe s pomocí nanostrojů / nanobotů by byli lékaři schopni v lidském těle vykonávat léčebné a rekonstrukční zásahy na buněčných a molekulárních úrovních. Právě nanomedicína, která je definována jako sledování, opravování, stavba a kontrola člověka na molekulové úrovni biologickým systémem, který je

Nanotechnologie

29


tvořen z nanosoučástek a nanosystémů. Ve výzkumných programech se proto snaţí sestrojit nanorobota, který by měl poţadovanou velikost a schopnosti. Zatím se pokouší sestrojit dálkově řízeného nanorobota, který by mohl putovat podle přání lékaře po lidském těle. Tito nanoroboti by se mohli do těla dostávat například injekční stříkačkou, přičemţ jejich povrch a tvar těchto nanorobotů bude uzpůsoben tak, aby mohly rychle a efektivně proplouvat krevním řečištěm. I přes všechny skutečnosti jsou nanoroboti však stále pouze fikcí.

Obr. 1.13: První elektrický motor 53. V souvislosti s dopravou lze rovněţ předpokládat existenci nanomotoru. Jedná se o molekulární přístoj schopný přeměny energie do pohybu se schopností generovat sílu o velikosti pikonewtonů. První synteticky vyrobený elektrický nanomotor byl vyvinut v roce 2003 skupinou Alexe Zettla na UC Berkeley. Jeho základní konstrukce byla tvořena zlatým rotorem na hřídeli vícevrstvé uhlíkové nanotrubičky 53. Zatímco rotující část motoru (rotor) dosahuje 100 aţ 300 nanometrů, průměr uhlíkaté nanotrubičky (hřídele) se pohybuje pouze v 5 aţ 10 nanometrech. Celková délka motoru dosahuje velikosti 500 nm. Do budoucna lze předpokládat, ţe tyto motory naleznou mnoho aplikačních vyuţití. Samotný rotor se můţe pohybovat v libovolném úhlu, z tohoto důvodu lze motor vyuţít v optických okruzích k přesměrování světla (k optickému přepojování), mikrovlnný oscilátor nebo pro míchání směsí tekutin v mikrofluidních zařízeních (Obr.1.13) 53. Na základě poznatků plynoucích z objevu nanomotoru, výzkumníci z UAB výzkumného parku vytvořili první nanomotor, který je poháněn na základě změny teploty.

Nanotechnologie

30


Vytvořili tak nové zařízení nazvané „nanotransporter“, schopné provádět mechanické úkoly, které by mohly být pouţity v oblasti biomedicíny a nových materiálů 54.

Obr. 1.14: Nanotransporter: a), b) pohyb kovu na uhlíkaté nanotrubičce, c) schéma principu motoru 54. "Nanotransporter" se skládá z uhlíkatých nanotrubic, které se mohou pohybovat tam a zpět, nebo působí jako rotor. Kov (ve formě nákladu) byl umístěn na jednu část trubice a pouţitím různých teplot na obou koncích nanotrubiček došlo k přemístění kovu z jednoho konce na druhý. Pohyb podél nanotrubky lze ovládat s přesností na méně neţ průměr atomu. Tato schopnost kontrolovat objekty, v měřítku nanometrů můţe být velmi uţitečné pro budoucí aplikace, např. při navrhování nanoelectromechanical systémech s velkým technologickým potenciálem v oblasti v biomedicíně a nové materiály 54. V říjnu 2005 tým vědců z Rice University v Texasu úspěšně testován první nanoautomobil. I kdyţ to nebyl první pokus o vytvoření nanostruktury, která se podobá v jistém smyslu aktuálním automobilům, toto vozidlo se jako první pohybovalo s určitou mírou kontroly rychlosti. Původní nanoautomobil měl podvozek, 2 nápravy, a čtyři kola z fullerenů. Auto měří jen 3 aţ 4 nanometry. Pohyb na čtyřech kolech ve směru kolmém na jeho nápravu, jej odlišoval od ostatních podobně formulovaných nanoautomobilů. V roce 2006 byl pomocí solárních článků namontovaných na vozidle vyroben nanoautomobil (angl. NanoCar, Obr.1.15). Shromáţděná energie je dodávána do vozu nanobaterií nebo pomocí elektrostatického motoru, který váţí méně neţ 5 ng (5 nanogramů).

Nanotechnologie

31


Nanoautomobil je tvořen uhlíkovými nanotrubicemi, elektrostatickými regeneračními kotoučovými brzdami a ozubeným mechanickým volantem 55. Vědci americké univerzity v Texasu v roce 2009 mezi prvními představili nejnovější mikroskopické nanovozítko (nanoautomobil), jenţ je po vzoru speciálních závodních automobilů nazváno nanodragster. Oproti svým předchůdcům z roku 2005 je nanodragster značně vylepšen. Přestoţe vozítko základními prvky nutnými k pohybu jako je podvozek, kola a motor, měří jen několik nanometrů. Na šířku jednoho lidského vlasu by tak bylo moţno zaparkovat aţ 50 000 těchto „automobilů“ 56,57. Nanodragster má přední kola ze speciálního kompozitního materiálu, sloţeného z atomů uhlíku a boru, který je dobře přilnavý. Zádní kola jsou tvořeny uhlíkatými fullereny. V porovnání s předcházejícím nanovozem (nanoautomobilem) je nanodragster mobilnější, rychlejší a má delší dojezdovou dráhu. Rychlost pohybu nanodragteru dosahuje maximální rychlostí několika nanometrů za minutu 57.

Obr. 1.15: Dvě generace nanoautomobilů 56,57. Rovněţ v kosmickém výzkumu lze sledovat zájem o nanostroje, resp. o nanoroboty, které by umoţňovaly dopravu či příjem materiálu z kosmického prostoru. Vědci z NASA (USA) představili nanorobota (Obr.1.16), který je tvořen pouze několika hydraulickými rameny. Robot je zatím ve vývoji, avšak jeho funkční makrokopie byla testována na Aljašce Nanotechnologie

32


jiţ v roce 2007. Tento robot se pohybuje na principu změny těţiště. Dvě z osmi hydraulických ramen se vysunou, popř. zasunou. Díky tomu dojde ke změně jeho těţiště a robot se překlopí. Opět můţe některé ze svých ramen vysunout a opět se překlopí. Tento typ pohybu umoţňuje pohyb velmi náročným terénem, kde by se např. nanorobot s koly nedostal. Výhodou tohoto nanorobota lze spatřovat v moţnosti propojování uzlových částí s dalšími svými kopiemi [58].

Obr. 1.16: První prototyp vesmírného nanorobota 56,57. Podle NASA by mohla skupinka takovýchto nanorobotů po vynesení na oběţnou dráhu být schopna vytvořit např. sluneční plachtu, doletět k Marsu, kde by se zformovali do tepelného štítu anebo proletět do atmosféry. Tam by se mohli přetvořit do podoby velké plachty a zlehka dopadnout na povrch. Opět by se mohli změnit do libovolného tvaru a provést příslušný průzkum. Po sběru dostatečného mnoţství informací, by se zformovali do antény a odeslali by informace na Zemi. Za jistých podmínek se tato zařízení jeví jako jeden z moţných nástrojů vhodných pro obměnu některých stávajících zařízení tvořených např. ze slitin s tvarovou pamětí na bázi Ni - Ti [58].

Nanotechnologie

33


NÁHRADNÍ ENERGETICKÉ ZDROJE

2.

V DOPRAVĚ VYUŽÍVAJÍCÍ NANOTECHNOLOGIÍ Kapitola 2, autor: Ing. Sylva Holešová Je zcela jednoznačné, ţe velcí automobiloví producenti jsou nuceni přistoupit k novým trendům, jako jsou nanotechnologie, a to na základě rostoucích poţadavků na cenově efektivní zlepšování výkonnosti, bezpečnosti a také pohodlí, navíc s ohledem na ochranu ţivotního prostředí a dodrţování emisních standardů. Prostřednictvím nanotechnologií, tak automobilový průmysl můţe dospět k výraznému rozvoji s rostoucím potenciálem.

Obr. 2.1: Alternativní paliva [1]. V současné době, tradiční zdroje energie jako jsou fosilní paliva (uhlí, ropa a zemní plyn) pokrývají 85% celosvětové potřeby. Je nutné si však uvědomit, ţe jsou tyto zdroje do určité míry omezené a jsou čerpány rychleji, neţ se stačí obnovovat. Významným faktorem je taktéţ rostoucí cena ropy. A v neposlední řadě je to také negativní dopad při jejich pouţití na ţivotní prostředí. Proto nanotechnologie mohou být odpovědí na jednu z nejaktuálnějších otázek světa „Čím a jak nahradit stále se ztenčující zásoby fosilních paliv?“. Jedním z populárních řešení je nalézt nové alternativní zdroje paliv (Obr. 2.1), ale také technologické postupy jejich zpracování neboli konverzi energie a v neposlední řadě i uskladnění této energie. Mezi alternativní paliva řadíme především následující: 

Bionafta, bioplyn (biomasa)

Nanotechnologie

34


Biopaliva na bázi alkoholů

Fosilní alternativy (LPG, LNG, CNG)

Vodík

Solární energie (fotovoltaika), atd.

Budoucnost vyuţití alternativní energie se bude zcela jistě opírat o nanostrukturované materiály a také o pochopení molekulárních interakcí v nanoměřítku.

2.1 Biopaliva Tato paliva vznikají cíleně z biomasy, coţ je soubor látek organického původu (rostliny, těla ţivočichů, bakterie, sinice, houby, atd.) a lze je rozdělit dle jejich skupenského stavu:  Kapalná biopaliva - zde řadíme zejména paliva na bázi alkoholů (bioethanol, bimethanol), dále rostlinné oleje, velmi důleţitá je bionafta, zkapalněná plynná biopaliva atd.  Tuhá biopaliva - zde patří nejrůznější peletky, štěpky, sláma, piliny apod.  Plynná biopaliva - nejvýznamnějšími plynnými biopalivy jsou bioplyn a vodík. Velkou výhodou biopaliv je ten fakt, ţe je lze přimíchávat do klasických pohonných hmot. Na českém trhu jsou asi nejznámějšími biopalivy směsi E95 (alternativa nafty s 95% biolihu) a E85 (alternativa benzínu s 85% biolihu). Biopaliva jsou dále děleny na tzv. první a druhou generaci. Jak jiţ bylo uvedeno, společnou surovinou pro výrobu biopaliv je biomasa. Jaký je tedy rozdíl mezi první a druhou generací biopaliv? Mezi biopaliva první generace patří zejména bioethanol (suroviny: obilí, cukrová řepa, kukuřice, škrob, rostlinný odpad, atd.), dále methylester řepkového oleje, methylestery vyšších mastných kyselin (FAME – bionafta) a další. Kdeţto biopaliva druhé generace se vyrábí především z biomasy nepotravinářského původu: lesní biomasa, zemědělská biomasa, biologický odpad z domácností a v neposlední řadě téţ energetické plodiny, coţ jsou rostliny pěstované cíleně pro produkci energie. Zde patří např. sléz krmný, lnička setá, konopí seté, čičorka pestrá, šťovík krmný atd. Z chemického hlediska se biopaliva první generace vyrábí fermentací cukrů a škrobů, zatímco u druhé generace je to především celulóza a lignin, coţ je základní sloţka dřeva.

Nanotechnologie

35


Dalekou budoucností je výroba biopaliv tzv. třetí generace. Zde by přicházely na řadu vodní mikroorganismy, jako jsou mořské řady či řasy přítomné v odpadních vodách. Jako bionafta jsou označovány nízkomolekulární estery vyšších mastných kyselin s nějakým nízkomolekulárním alkoholem (převáţně methanolem – methylestery), angl. FAME (Fatty Acid Methyl Esters) a vyrábí se rafinačním procesem zvaným transesterifikace. Hlavními zdroji nízkomolekulárních esterů vyšších mastných kyselin jsou rostlinné oleje, a to především olej sojový, řepkový (jehoţ hlavním zdrojem je řepka olejka, Obr. 2.2) a slunečnicový.

Obr. 2.2: Řepka olejka [2]. Jelikoţ proces transesterifikace je dějem katalytickým, vyvíjí se stále nové katalyzátory pro zlepšení a zefektivnění průběhu reakce. Při tomto ději vzniká jako vedlejší produkt glycerol (Obr. 2. - 3).

Obr. 2.3:Obecné schéma transesterifikace. Jak jiţ bylo řečeno tento děj je katalytický a na vývoji nových katalytických systémů se začínají také podílet nanotechnologie. Jako katalyzátory se většinou pouţívají látky bazického charakteru, např. kovy alkalických zemin, přechodné kovy, lanthanidové oxidy,

Nanotechnologie

36


mikro- či mesoporézní silikáty a hlinitany atd. Přestoţe všechny tyto katalytické systémy poskytují zajímavé výsledky, nebyla nijak řešena otázka jak vyladit a kvantifikovat bazicitu povrchu katalyzátoru. Jedním z velmi slibných katalyzátorů je oxid hořečnatý MgO. Britským vědcům se podařilo zjistit, ţe v nanokrystalické formě vykazuje velmi dobré katalytické účinky a lze u něj navíc velice dobře popsat samotný katalytický proces [3]. Výše zmíněné sloučeniny spadají do skupiny homogenních katalyzátorů, u kterých však nastává problém s jejich obtíţnou separací z glycerinové fáze, coţ je činí nerecyklovatelnými a nemohou se znovu pouţít. Tento problém řeší katalýza heterogenní, kdy jsou na povrch pevného nosiče (zeolity, hydrotalcity, oxidy, -alumina, atd.) kotveny právě sloučeniny bazického charakteru. Velmi často pouţívaným pevným nosičem je alumina, neboli oxid hlinitý -Al2O3, a to především z důvodu velkého a jednoduchého povrchu a také snadné dostupnosti. Jiţ několik autorů popsalo vysokou výtěţnost transesterifikace sojového oleje pomocí draselných sloučenin (KI, KF, KOH, KNO3) kotvených na alumině, ale tým vědců z tureckých univerzit byl první, kdo pouţil jako nosič nano--Al2O3, na kterém je kotven fluorid draselný KF [4]. Tento katalytický systém poskytoval bionaftu ve více jak 97% výtěţku, coţ je spojeno s vysokou bazicitou povrchu katalyzátoru a navíc se tento katalyzátor dobře recykloval a dal znovu pouţít (Obr. 2.4).

Obr. 2.4: Fotografie ze skenovacího elektronového mikroskopu SEM [4]. a) nano-Al2O3 b) KF (15%) nano--Al2O3 c) KF (15%) nano--Al2O3 po prvním pouţití při transesterifikaci d) KF (15%) nano--Al2O3 po druhém pouţití při transesterifikaci.

Nanotechnologie

37


Kromě tradičních bazických katalyzátorů jsou pro transesterifikaci vyuţívány také biokatalyzátory připravené imobilizací lipázy, coţ je jeden z nejdůleţitějších enzymů štěpící tuky na glycerol a mastné kyseliny, na pevný nosič. Nosiče pouţívané pro ukotvení lipázy mají vcelku zásadní význam pro aktivitu a stabilitu enzymu. Jedním z pouţívaných nosičů jsou také nanočástice magnetického oxidu ţeleznato-ţelezitého Fe3O4 (Obr. 2.5). Pomocí tohoto heterogenního katalyzátoru byla provedena transesterifikace sojového oleje s metanolem [5].

Obr. 2.5: Fotografie z transmisního elektronového mikroskopu (TEM) [5]: a) nanočástice Fe3O4 b) lipáza ukotvená na nanočásticích Fe3O4. Biopaliva na bázi alkoholů, nejběţněji ethanol, méně pak propanol a butanol, jsou produkty biologického působení mikroorganismů a enzymů skrz proces fermentace na cukry, škroby či celulózu. Proces fermentace probíhá přímo u surovin obsahující cukry, kdeţto přírodní zdroje škrobu se nejprve musí na cukr převést enzymaticky. Bioethanol se vyrábí zejména z následujících přírodních surovin obsahující vysoký podíl cukrů: pšenice, kukuřice (Obr. 2.6), melasa, cukrová třtina, cukrová řepa. Výroba bio-ethanolu pro motorová vozidla roste v celosvětovém měřítku, jelikoţ byl doporučen jako aditivum benzínu kvůli sníţení spotřeby fosilních surovin a také z důvodu sníţení emisí CO2. Zatím největším spotřebitelem biolihu je Brazílie, kde se jeho objem blíţí aţ k 20 miliardám litrů ročně. Jak jiţ bylo řečeno, mnoho přírodních surovin je zpracováno procesem fermentace za vzniku ethanolu s jistým obsahem vody, který musí být dále pro pouţití do benzínu, zpracován na poţadovanou kvalitu. Je tedy destilován a dehydratován na bezvodý ethanol (> 99.2 wt%). Jak je ale známo, procesem prosté destilace není moţné vyrobit ethanol v této kvalitě, jelikoţ tvoří s vodou azeotropickou směs. Jednou z cest pro přípravu bezvodého ethanolu pro jakostní motorový benzín je azeotropická destilace.

Nanotechnologie

38


Nicméně, ta je obecně procesem, během kterého se energie spotřebovává, coţ je v rozporu s pouţitím bio-ethanolu pro uchování energie. Alternativou k dehydrataci je membránová separace. Japonští vědci popsali vyuţití NaA zeolitových membrán s vysokou tepelnou, chemickou a mechanickou stabilitou, pro dehydrataci bio-ethanolu [6]. Tato membrána vyuţívá svůj obrovský povrch s póry, jejichţ velikost se pohybuje v nanoměřítku.

Obr. 2.6: Kukuřice – zdroj pro výrobu bioethanolu [7]. Při výrobě bioalkoholů zatím nebyly ve značné míře pouţity nanotechnologické postupy jako takové, ale jelikoţ proces fermentace probíhá za působení mikroorganismů a enzymů, jejichţ velikost se pohybuje v nanosvětě, můţeme i proto na něj pohlíţet v nanoměřítku. Bioplyn je produktem biologického rozkladu organické hmoty za nepřítomnosti kyslíku, tzn. anaerobního vyhnívání či fermentace biodegradabilního materiálu, jako jsou biomasa, hnůj, odpadní voda, komunální odpad, atd. Takto vyrobený bioplyn se skládá z velké části z methanu a oxidu uhličitého. Jiným druhem bioplynu je ten, který vzniká zplyňováním dřeva a obsahuje především dusík, vodík a oxid uhelnatý, se stopovým mnoţstvím methanu. Plyny methan, vodík či oxid uhelnatý lze následně spálit či oxidovat pomocí vzdušného kyslíku, přičemţ se uvolňuje energie vyuţitelná jako palivo.

Nanotechnologie

39


Obr. 2.7: Bioplyn [8]. Podle odborníků patří bioplyn mezi nejslibnější biopaliva. Výhodou je, ţe ho lze vyrábět z odpadu, který je biologického původu (Obr. 2.7). Při výrobě bioplynu prozatím nebylo nanotechnologií uţito, ale jelikoţ se jedná o proces biologického rozkladu pomocí mikroorganismů, můţeme tedy i na výrobu bioplynu pohlíţet v nanoměřítku.

2.2 Fosilní alternativy Mezi nejznámější fosilní alternativy patří CNG a LPG. Co tyto zkratky znamenají? CNG je zkratka pro Compressed Natural Gas (stlačený zemní plyn). Tento plyn je alternativou pro benzín a motorovou naftu. Ačkoli při jeho spalování vznikají také skleníkové plyny, je k ţivotnímu prostředí více šetrný neţ klasická paliva a navíc je jeho pouţití bezpečnější, jelikoţ je lehčí neţ vzduch, takţe kdyţ dojde k jeho úniku, velmi rychle se rozptýlí. CNG má také dvojnásobně vyšší teplotu vznícení neţ benzín, čili pravděpodobnost, ţe se vznítí je mnohem menší neţ u klasických paliv a LPG. CNG se vyrábí stlačením zemního plynu (20-30 MPa), sloţeného převáţně z methanu, na méně neţ 1% jeho původního objemu za atmosférického tlaku. V České

Nanotechnologie

40


republice se tento plyn pouţívá nejvíce pro pohon autobusů, jelikoţ síť čerpacích stanic není zatím aţ tak rozšířená. CNG se pouţívá v kombinaci s tradičními spalovacími motory, kdy je automobil přepracován na bi-palivové vozidlo (benzín - CNG) nebo také (benzín - CNG a/nebo bioplyn) jak je uvedeno na Obr. 2.8.

Obr. 2.8: Bi-palivový systém (CNG, bioplyn) Volvo S80 [9]. LPG je zkratka pro Liquefied Petroleum Gas (zkapalněný ropný plyn). Jedná se o směs uhlovodíků, zejména propanu a butanu, které jsou za normálních podmínek plynné. Velmi jednoduše lze tyto plyny ochlazením a stlačením zkapalnit, přičemţ dochází k významnému zmenšení původního objemu v poměru aţ 1/260. Jelikoţ se LPG za okolní teploty a tlaku snadno vypařuje, musí být skladován ve speciálních přetlakových ocelových nádobách (Obr. 2.9). Z důvodu moţnosti tepelné expanze jsou tyto nádoby plněny pouze z cca 80% svého objemu.

Nanotechnologie

41


Obr. 2.9: Čerpací stanice LPG [10]. Zacházení s těmito plyny vyţaduje určitá bezpečnostní opatření z důvodu jejich fyzikálních vlastností, zejména pak u LPG, který je velmi hořlavý. Proto jsou vyvíjeny různé senzory pro jejich detekci. Také v tomto směru lze vyuţít nanotechnologií. Historicky prvním materiálem studovaným z hlediska pouţití jako senzoru plynů byl oxid zinečnatý ZnO, a to především díky jeho vysoké schopnosti vést elektrony a také jeho dobré chemické a tepelné odolnosti. V posledních letech byly studie zaměřeny na zdokonalení provedení ZnO senzorů s cílem vylepšit jejich selektivitu a také sníţit pracovní teplotu. V mnoha pokusech vystupují taktéţ nanočástice ZnO. Byla popsána metoda syntézy vysoce krystalických nanočástic ZnO (Obr. 2.10) hydrotermální cestou při 120°C s vysokou sensitivitou vůči LPG, amoniaku, vodíku a ethanolu při nízkých operačních teplotách. Navíc po zabudování palladia Pd do této struktury bylo dosaţeno ještě lepších výsledků u sensitivity a sníţení teploty [11].

Obr. 2.10: Fotografie nanočástic ZnO z transmisního elektronového mikroskopu (TEM) [11].

Nanotechnologie

42


Dalším hojně vyuţívaným oxidem kovu pro účely detekce plynů je oxid cíničitý SnO2. Je to nejvíce preferovaný materiál pro výrobu senzorů se skupiny oxidů polovodivých kovů z důvodu schopnosti absorbovat kyslík na svůj povrch. Také v jeho případě se pouţívají různá aditiva pro zlepšení vlastností. Pro detekci LPG se k SnO2 přidávají různé kovy (platina, palladium, stříbro, nikl, antimon, hliník, atd.) nebo také oxidy kovů (oxid platičitý, oxid palladnatý, oxid stříbrný, oxid nikelnatý, oxid ţelezitý, oxid měďnatý, atd.). V rámci práce indických vědců byl připraven LPG senzor na bázi ultratenkého filmu SnO2 (90 nm) s ultratenkými (8 nm) ostrůvky kovů (Pt, Ni, Ag a Pb) a jejich oxidů (Obr. 2.11). Nejlepších výsledků pak dosáhl senzor s ostrůvky Pt [12].

Obr. 2.11: Schéma SnO2 senzoru s ostrůvky kovů či jejich oxidů [12]. Oxid kademnatý (CdO) je polovodičem typu N se zajímavými vlastnostmi jako jsou široký zakázaný pás, nízký elektrický odpor, vysoký přenos ve viditelné oblasti, coţ ho činí velmi uţitečným v mnoha oblastech jako např. při výrobě fotodiod, fototranzistorů, transparentních elektrod, tekutých krystalů pro displeje, atd. Aţ do roku 2007 se neobjevily ţádné práce zabývající se jeho vyuţitím pro výrobu senzorů plynů. Toho vyuţil R. B. Waghulade s kolektivem a jednoduchou sráţecí metodou připravili nanočástice CdO, které dále zkoumali při detekci LPG. Ve své studii zjistili, ţe kalcinační teplota při výrobě nanočástic CdO velmi ovlivňuje výslednou citlivost a pracovní teplotu senzoru. Nejúčinnější a nejcitlivější je tento materiál, který byl kalcinován při teplotě právě 400°C, jelikoţ byly připraveny zrna o nejmenší velikosti [13].

Nanotechnologie

43


2.3 Vodík Z chemického hlediska je vodík nejlehčím plynem a zároveň je prvním členem přirozené řady prvků. Jeho atomové jádro je tvořeno pouze jedním protonem a elektronový obal jedním elektronem, coţ mu dává mnoho výlučných chemických vlastností. Vodík je plynem hořlavým, ale sám hoření nepodporuje. Při jeho spalování vzniká voda (Obr. 2.12).

2 H2

+

O2

2 H2O

Obr. 2.12: Reakce vzniku vody spalováním vodíku. A právě vznik vody při spalování vodíku, neškodné pro ţivotní prostředí a dále také vznik velkého mnoţství energie je důvodem, proč byl zahájen intenzívní výzkum tohoto procesu vyuţitelného pro automobilový průmysl. Jiţ v dávné minulosti byl vodík pouţit v dopravě, vzpomeňme si třeba na legendární vzducholoď Hindenburg, pro kterou bylo ovšem pouţití vodíku zkázou (Obr. 2.13). Vodík se dnes vyrábí zejména z fosilních surovin (zemní plyn, ropa, uhlí), coţ je vlastně v rozporu s myšlenkou alternativního, nefosilního paliva, dále se také začíná vyvíjet výroba vodíku pomocí elektrolýzy vody, zde je ovšem vysoká spotřeba elektrické energie na tuto výrobu. Hudbou budoucnosti můţe být výroba vodíku na základě přírodních procesů při rozkladu organických sloučenin pomocí bakterií. Vodíkového pohonu se vyuţívá v tzv. hybridních motorech (Obr. 2.14), kdy jde o kombinaci různých forem pohonů. Např. energie v elektromotorech s vodíkovým pohonem se získává v palivových článcích, kde dochází k reakci vodíku s kyslíkem a dále v akumulátoru.

Obr. 2.13: Zkáza vzducholodi Hindenburg [14]. Nanotechnologie

44


Nanotechnologie velkou měrou přispívají při výrobě vodíku a to především v podobě nanomateriálů pouţitelných jako katalyzátorů chemických reakcí, při kterých vodík vzniká.

Obr. 2.14: Model auta na vodíkový pohon [15]. Metod pro získání vodíku je několik, první z nich je parní reformování organických sloučenin bohatých na vodík. Při reakcích alkoholů s vodní párou vzniká vodík jako hlavní produkt. Jedním z nejpouţívanějších alkoholů pro přípravu vodíku je methanol, a to díky svým vynikajícím vlastnostem:  obsahuje tak vysoký poměr H/C, ţe má menší sklon k tvorbě sazí neţ běţně uţívané uhlovodíky a také dělá methanol energeticky výhodnou surovinou;  jeho bod varu je realitně nízký;  lze ho získat z obnovitelných zdrojů;  je snadno uskladnitelný. Níţe jsou uvedeny základní chemické reakce probíhající při parním reformování methanolu spolu s jejich reakčními teply.

Rozklad methanolu: CH3OH  2H2 + CO

H298K= +91.7 kJ/mol

(2.1)

H298K= -41.0 kJ/mol

(2.2)

H298K= +50.7 kJ/mol

(2.3)

Reakce voda-plyn: H2O + CO  H2 + CO2

Kombinace rovnic (1) a (2): CH3OH + H2O  CO2 + 3H2

Nanotechnologie

45


Methanizace CO: CO + 3H2  CH4 + H2O

H298K= -206.2 kJ/mol

(2.4)

H298K= -165.0 kJ/mol

(2.5)

Methanizace CO2: CO2 + 4H2  CH4 + 2H2O

Tyto reakce jsou převáţně katalyzovány různými kovy a jejich kombinacemi s cílem zajistit poţadovaný průběh reakce. V posledních letech zaznamenal také velký rozmach vývoj katalyzátorů na bázi nanočástic především přechodných kovů (Cu, Ni, Zn, atd.). Bylo popsáno několik cest na přípravu nanočástic Cu a jednou z nich byla také práce zahrnující in situ tvorbu nanočástic Cu v superkritické vodě při parním reformování methanolu. Jako prekurzor byl pouţit octan měďnatý, který je snadno rozpustný ve vodě. Ve speciálním reaktoru byly připraveny nanočástice Cu o velikosti okolo 140 nm s velkým povrchem, čili k reformování methanolu docházelo zhruba během 15 s [16]. Dalším odzkoušeným materiálem byl nový nanostrukturovaný CuZnAl-spinel katalyzátor, jeţ byl pouţit při oxidativním parním reformování methanolu. Ve srovnání z běţně vyráběným CuZnAl katalyzátorem vykazoval tento nanostrukturovaný lepších výsledků při katalýze a také během reakcí nebyl detekován vznik neţádoucího oxidu uhelnatého (CO) [17]. Z řady alkoholů je také pro výrobu vodíku pouţíván ethanol. Výtěţek vodíku při parním reformování ethanolu můţe být vysoký, jelikoţ vzniká nejen z ethanolu, ale i z vody. Nicméně, konečná výtěţnost vodíku silně závisí na intenzitě a rovnováze mezi reakcemi vodaplyn a dále methanizačními reakcemi, stejně jako na úspěšné inhibici neselektivní transformace ethanolu na produkty vedlejších reakcí acetaldehyd, etylen a methan. Jelikoţ nebyl na trh uveden ţádný komerčně vyráběný katalyzátor, který by řešil zmíněná úskalí, rozhodli se polští vědci takový katalyzátor vyvinout. Tím katalyzátorem byl kobalt Co dopovaný oxidy zirkonu ZrO2 či ceru CeO2 a to jak v mikro, tak i v nano měřítku (Obr. 2.15). Při srovnání obou struktur došli k závěru, ţe nanostrukturní katalyzátor tohoto druhu vykazoval při parním reformování etanolu lepších výsledků [18].

Nanotechnologie

46


Obr. 2.15: Obrázky nano a mikro struktur oxidů CeO2 a ZrO2 pouţitých jako dopantů pro Co katalyzátor [18]. Dalším způsobem, jak získat vodík, je proces fotokatalýzy vody. Toto je velmi slibná metoda především ze dvou důvodů:  je zaloţena na energii fotonu (sluneční energie), coţ je čistý a neměnný zdroj a také na vodě, jeţ je zdrojem obnovitelným;  je to metoda šetrná k ţivotnímu prostředí, nevznikají při ní vedlejší produkty či polutanty. Ovšem bylo velmi obtíţné najít ideální fotokatalyzátor, který by splňoval více podmínek najednou (chemická stabilita, odolnost vůči korozi, citlivost na viditelné světlo). Naštěstí nanotechnologie obohatili stávající fotokatalyzátory a byly tak objeveny nové velmi slibné materiály. Z těch nejdůleţitějších to jsou nanočástice TiO2, další binární kovové oxidy např. Ta2O5, VO2, ternární a kvartérní kovové oxidy např. různé oxidy niobu Nb, oxidy rhodia Rh, platiny Pt či ceru Ce, dále sulfidy kovů, především CdS, nebo také nitridy, oxinitridy, atd [19]. V neposlední řadě můţeme vodík vyrobit na základě biologických procesů z vody. Mnoho bakterií patřící mezi anaeroby, aeroby, fotosyntézní bakterie a cyanobakterie má schopnost produkovat plynný vodík. Výroba bio-vodíku souvisí s mnoha faktory, jako jsou pH, teplota, koncentrace, stáří kultury, hustota buněk, atd. Tým čínských vědců vyuţil poznatků z oblasti nanovědy zabývající se katalytickými procesy za účasti nanočástic, konkrétně zlata Au, a studoval jejich vliv na přípravu vodíku ze znečištěně vody pomocí biologických pochodů. Dominantním kmenem bakterií byl Clostridinum butyricum a nanočástice zlata byly pouţity v rozměrech 5, 10 a 20 nm. Bylo zjištěno, ţe nanočástice zlata významně zlepšují bioaktivitu mikrobů schopných vyrobit vodík

Nanotechnologie

47


a tento efekt velmi silně závisí na velikosti pouţitých částic (Obr. 2.16). Čím byly částice menší, tím bylo vyprodukováno více vodíku [20].

Obr. 2.16: Fotografie nanočástic Au z transmisního elektronového mikroskopu (TEM): a) 5nm, b) 10 nm, c) 20 nm [20].

2.4 Solární energie Solární energie, jak jiţ z názvu vyplývá, je energie získávána ze slunečního záření. Tato energie je obnovitelným zdrojem a lze ji vyuţít přímo k výrobě elektrické energie pomocí solárních, neboli fotovoltaických panelů. Nejpouţívanějším materiálem pro výrobu solárních panelů je polovodičový prvek křemík Si. Tento typ energie lze také vyuţít jako pohon pro automobily (Obr. 2.17). Stejně jako u předchozích alternativních zdrojů, tak i u energie solární je vyuţíváno nanotechnologií pro zlepšení vlastností připravovaných materiálů. Uveďme si tedy na závěr několik materiálů ze světa nanočástic pouţívaných pro konstrukci solárních článků. Kovové nanočástice mají dvě důleţité vlastnosti vyuţitelné pro fotovoltaiku. Jednak způsobují rozptyl dopadajícího světla, jestliţe jejich průměr překračuje 50 nm a také zvyšují sílu místního elektrického pole. Němečtí badatelé zakomponovali nanočástice stříbra Ag o různém průměru (cca 15 a 300

nm)

do

polovodičových

křemíkových

desek

různé

morfologie

(amorfní

a

mikrokrystalický Si) a sledovali jejich vliv na elektrické a optické vlastnosti zařízení. Bylo zjištěno, ţe všechny připravené články vykazovaly vyšší absorpci světla v oblasti dlouhých vlnových délek ve srovnání s články bez přítomnosti nanočástic. Při zvýšení intenzity dopadajícího záření na desku z amorfního Si obsahující menší nanočástice Ag došlo ke sníţení efektivity. Desky s většími nanočásticemi způsobovaly sice větší rozptyl světla, ale také se projevovaly optické ztráty [21]. Nanotechnologie

48


Obr. 2.17: Solární automobil [22]. Odlišným typem solárních článků jsou tzv. barevně citlivé solární články (angl. dyesensitized solar cells - DSSCs). V klasickém solárním článku je křemík zdrojem jak fotonů, tak vytváří i elektrické pole k oddělení náboje a tvorbě proudu. Kdeţto v DSSC článcích dochází odděleně k transportu náboje polovodičem a vzniku fotonů z fotosenzitivního barviva. Separace náboje se děje na povrchu mezi barvivem, polovodičem a elektrolytem. Pro výrobu tohoto typu solárních článků se taktéţ hojně vyuţívají nanočástice převáţně oxidů následujících kovů: Ti, Zn, Sn, atd. Prvním zástupcem je oxid titaničitý TiO2. Jeho nanočástice či nanotyčky byly připraveny hydrotermální metodou z prekurzoru dioxidu titaničitého při 150°C po dobu 20 hodin a vykazovaly vysokou fotokatalytickou a fotovoltaickou aktivitu [23].

Obr. 2.18: Fotografie nanovrstev ZnO ze skenovacího elektronového mikroskopu SEM [24].

Nanotechnologie

49


Oxid zinečnatý ZnO je jedním ze slibných polovodičových materiálů pro přeměnu solární energie díky jeho stabilitě vůči fotokorozi a také má obdobné fotochemické vlastnosti jako TiO2. ZnO je transparentní ve viditelné oblasti světla, v infračerveném světle se projevuje vysokým odrazem, je velmi elektrochemicky stabilní a vykazuje excelentní elektronické vlastnosti. Čínští vědci připravili nanočástice a nanovrstvy ZnO hydrotermální metodou z prekurzoru chloridu zinečnatého a jako film je pouţili jako materiál pro DSSC článek. Nanovrstvy ZnO (Obr. 2.18) vykazovaly lepší výkonnost neţ nanočástice [24]. Tato velmi obsáhlá problematika bude podrobněji popsána v následující kapitole, zabývající se výhradně fotovoltaikou v dopravě.

Nanotechnologie

50


3.

FOTOVOLTAIKA V DOPRAVĚ Kapitola 3, autor: Ing. Pavel Čech

Doprava je zodpovědná za více neţ 20% celkové spotřeby primární energie v Evropě a přispívá téměř třetinou emisí skleníkových plynů. Doprava představuje stále rostoucí sektor, v souvislosti s vyuţíváním nových materiálů a současně se vzrůstajícími nároky na spotřebu energie pro pouţívání vozů. Energetická spotřeba vzrostla v období mezi lety 1990 a 2003 o 26,3%. Doprava v Evropě se spoléhá na fosilní paliva z více jak 98%. I kdyţ strategický plán EU má za cíl zvýšení podílu biopaliv na 10 % v roce 2020 [1]. Problémy související s dopravou jako je znečišťování ovzduší, hluk, dopravní zácpy dopadají na kvalitu ţivota v evropských městech. Z tohoto důvodu se rozšiřují snahy o pouţívání také jiných zdrojů energie pro dopravu, jako je bionafta, zkapalněný zemní plyn, pouţití vodíku, ale také fotovoltaika. Následující stránky přiblíţí moţnost pouţití fotovoltaiky jako zdroje energie pro rozmanité druhy pouţití v dopravě. Fotovoltaika vyuţívá přímé přeměny světelné energie na elektrickou energii v polovodičovém prvku označovaném jako fotovoltaický neboli také solární článek (Obr. 3.1). Nejběţnější typ solárního článku je vyroben z krystalického křemíku, multikrystalického anebo monokrystalického křemíku.

Obr. 3.1: Princip činnosti solárního článku z krystalického křemíku [2]. Princip křemíkového článku je zaloţen na principu velkoplošné diody s alespoň jedním PN přechodem. V osvětleném solárním článku jsou dopadajícími fotony generovány elektricky nabité částice (páry elektron – díra). Elektrony a díry jsou separovány vnitřním elektrickým polem k PN přechodu. Rozdělení náboje má za následek napěťový rozdíl mezi „předním“ (-) a „zadním“ (+) kontaktem solárního článku. Vnějším obvodem zapojeným mezi

Nanotechnologie

51


oba kontakty potom protéká stejnosměrný elektrický proud, jeţ je přímo úměrný ploše solárního článku a intenzitě dopadajícího slunečního záření [2]. Fototvoltaický jev byl objeven jiţ v roce 1839 Alexandrem Edmondem Becquerelem. V roce 1904 jej fyzikálně popsal Albert Einstein a v roce 1921 mu byla za „práci pro rozvoj teoretické fyziky, zejména objev zákona fotoelektrického efektu“ udělena Nobelova cena. Prvotní pokusy s fotovoltaické články spadají do 19. století, kdy byly poprvé zjištěny změny vodivosti selenu při jeho osvětlení a kolem roku 1883 byl sestrojen první selenový fotovoltaický článek s tenkou vrstvou zlata (Charles Fritts, účinnost pod 1 %). První skutečný fotovoltaický článek s 6 % účinností byl vyroben z krystalického křemíku v roce 1954 v Bellových laboratořích (G.L. Pearson, D. Chapin, C. Fuller) v New Persey (Obr. 3.2) [3].

Obr. 3.2: Efektivita komerčně vyráběných solárních panelů [4].

3.1 Technologický vývoj fotovoltaiky Velký rozvoj fotovoltaiky nastal v šedesátých letech minulého století s nástupem kosmického výzkumu. Sluneční články slouţily jako zdroj energie pro druţice. První druţicí vyuţívající sluneční energii byl americký Vanguard 1, který byl vynesen do vesmíru 17.3.1958. Celosvětová ropná krize v sedmdesátých letech odstartovala zájem o alternativní zdroje energie. To mělo za následek také rozvoj výzkumu a vývoje v oblasti fotovoltaiky pro pozemní účely [5]. Vývoj solárních článků dospěl k celé řadě technologií, které lze rozdělit do tří základních generací: -

prví generace solárních článků je zaloţena na zpracování krystalického křemíku; Nanotechnologie

52


-

druhá generace solárních článků je zaloţena na depozici velmi tenkých mikrometrických vrstev na nosnou podloţku;

-

třetí generace solárních článků vychází z druhé generace a je zaloţena na přípravě nových materiálů jako jsou nanomateriály, fotocitlivá barviva, polymerní vrstvy nebo vícevrstvé struktury [3]. Třetí generace fotovoltaických článků překonává Shockleyův-Queisserův limit

účinnosti. K přeměně na elektřinu lze vyuţít pouze část dopadajícího slunečního záření. Plně jsou vyuţity pouze fotony, jejichţ energie odpovídá šířce tzv. zakázaného pásu, například pro křemík 1,1 eV. Fotony s niţší energií buď článkem projdou nebo jsou v materiálu pohlceny bez uţitku, jejich energie se přemění na teplo. U fotonů s vyšší energií je vyuţita pouze část odpovídající šířce zakázaného pásu, přebytek energie se rovněţ přemění na teplo [6]. Porovnání teoretických limitů a dosahovaných parametrů u ostatních polovodičových materiálů je uvedeno na Obr. 3.3.Uvedené limitní hodnoty platí pro jednovrstvé články první a druhé generace při intenzitě slunečního záření 1000 W/m2. Pro články třetí generace, které vyuţívají vícevrstvé struktury nebo při vyšší intenzitě slunečního záření jsou limity vyšší [6].

Pozn.: a-Si - amorfní, c-Si - mikro/nanokrystalický, poly/multikrystalický, t-Si – tenkovrstvý.

m-Si

-

monokrystalický,

p-Si

-

Obr. 3.3: Účinnost jednovrstvých fotovoltaických článků, současný stav a perspektivy ve srovnání s teoreticky dosaţitelným maximem [6]. Nejvíce propracovanou a stabilizovanou je technologie zaloţená na krystalickém křemíku. Přes 85% všech solárních panelů je vyrobeno s křemíkovými krystalickými články, jejichţ obezný princip je znázorněn na Obr. 3.4. Křemík je velni vhodný materiál pro výrobu Nanotechnologie

53


fotovoltaických článků, protoţe z hlediska šířky zakázaného pásu je u křemíku moţno dosáhnou velmi vysoké účinnosti generace volných nosičů. Zároveň u křemíku, jako základního materiálu pro mikroelektroniku se podařilo velmi dobře zvládnout všechny operace potřebné k vytváření struktur. Teoretická účinnost křemíkového článku pro běţné spektrum a intenzitu slunečního záření, tzv. Shockleyův-Queisserův limit, je kolem 33 %, u experimentálních článků bylo dosaţeno 24,7 %, nejlepší komerční články mají účinnost kolem 22 % [3,7].

Obr. 3.4: Schéma výrobního cyklu od surového křemíku aţ k instalaci fotovoltaického systému [4]. Výrobní proces fotovoltaického systému je zaloţen na několika základních krocích. Po chemickém opracování (leptání, texturace, čištění) je jednostranně vytvořen přechod PN difúzí fosforu (n-dopand) nebo bóru (p-dopand) pro vytvoření p-n přechodu (dále PN) dle původní vodivosti křemíkového substrátu. Po odstranění fosforsilikátového skla vzniklého při difúzi je povrch depozicí pokryt antireflexní vrstvou (SiNx nebo TiO2). Kontakty sběrnice jsou obvykle realizované pomocí vodivých past nanesených na povrch článků sítotiskovou metodou. Po depozici antireflexní vrstvy je na straně s přechodem PN (na vrstvu n+) sítotiskem nanesena sběrnice (Ag pasta) a na zadní stranu je sítotiskem nanesen kontakt (AlNanotechnologie

54


Ag pasta). Po vysušení pasty následuje vypálení, při kterém dojde k rozrušení antireflexní nitridové vrstvy a vytvoření ohmických kontaktů. Pomocí této techniky byla výrazně zjednodušena a zlevněna technologie kontaktování článků (odstranění fotolitografie a vakuových depozičních technologií) [7]. Energetická účinnost přeměny slunečního záření na elektrickou energii je u současných hromadně vyráběných křemíkových solárních článků 13 – 21%. Účinnost u solárních článků připravených v laboratořích dosahuje aţ 25%. Články vynikají vysokou stabilitou výkonu a dlouhou ţivotností (minimálně 30 let). Po zalaminování do panelů se jejich účinnost sníţí na 11 - 19% [7].

Obr. 3.5: Solární články z monokrystalického a multikrystalického křemíku [2]. Relativně velmi slibné je pro zvýšení účinnosti se jeví pouţívání výchozího materiálu typu N, kde vzhledem k řádově niţší rychlosti rekombinace (v porovnání s materiálem typu P) je moţno dosáhnout vyšší účinnost fotovoltaických článků. Zatím se výchozí materiál typu N pouţívá u zhruba 4,5% vyráběných fotovoltaických článků [7]. Pro zvyšování účinnosti se také realizují nestandardní struktury článků, např. přenesením všech kontaktů na zadní stranu článku. Touto technologií jsou vyráběné dosud nejúčinnější komerčně dostupné panely. Jsou z monokrystalického křemíku od americké firmy SunPower. Jedná se o jediný typ panelů, jehoţ účinnost se blíţí 20 % (účinnost jednotlivých monokrystalických křemíkových článků na tomto panelu je aţ 22 %) [8]. Současný vývoj technologie naznačuje, ţe krystalický křemík zůstane nejdůleţitějším materiálem pro výrobu fotovoltaických článků minimálně v následujících pěti letech, a to vzhledem k pokračujícímu sniţování cen vstupního materiálu, sniţování energetické náročnosti a dalšímu zdokonalování technologie a s ohledem na vysokou spolehlivost a ţivotnost modulů s články z krystalického křemíku [7]. Nanotechnologie

55


Výzkum a vývoj tenkovrstvých solárních článků vychází z technologie přípravy tenkých filmů (rovněţ také nanovrstev) deponovaných na nosnou podloţku. Depozicí na sklo, flexibilní substrát nebo ocelový plech, je nanesen fotoaktivní materiál, nejčastěji se uţívá amorfní křemík (a-Si). Historicky nejstarší jsou články z amorfního křemíku, jsou jiţ přímé zkušenosti s jejich více neţ 20letým fungováním v reálných podmínkách. V poslední době i účinnost těchto velmi levných panelů stoupla z cca 5 % k 6 - 7 % [8].

Obr. 3.6: Solární panel z amorfního křemíku [9]. Historie solárních panelů z tenkých vrstev začíná v roce 1976, kdy vědci z RCA laboratoří Carlson a Wronski vyrobili první fotovoltaický článek z amorfního křemíku o tloušťce cca 0,5 mm. Po velmi rychlém pokroku (10% účinnosti u laboratorních článků o velikosti 1 cm2 bylo dosaţeno jiţ v roce 1982) a uvedení do hromadné výroby těchto článků (především pro drobnou spotřební elektroniku - kalkulačky), došlo ke stagnaci jak ve výrobě tak i v průmyslově dosaţené účinnosti, typická účinnost fotovolatických panelů stagnuje na hodnotě 5 - 6 % [10]. Důvodem je proces (vratné) degradace (tak zvaný Staebler-Wronski efekt) který způsobuje, ţe při určité úrovni osvětlení a určité provozní teplotě se v amorfním křemíku ustaví rovnováţná koncentrace defektů, která neumoţňuje dosaţení vyšší účinnosti. Tento, po zhruba jednom roce jiţ stabilizovaný článek dále nedegraduje, v letních měsících naopak jeho účinnost roste a v zimě zase klesá [10]. Tloušťky solárních článků z tenkých filmů jsou podstatně menší (aţ 100x) neţ u klasické křemíkové technologie. Oproti klasické křemíkové technologie se vyrábí přímo solární panel bez mezivýrobku solárního článku. Podíl tenkovrstvé technologie na celosvětovém trhu dosahuje asi 10 %. Tenkovrstvé křemíkové články se vyrábějí, třemi způsoby: s absorbérovou vrstvou z amorfního křemíku, z mikrokrystalického křemíku nebo Nanotechnologie

56


z křemíku rekrystalizovaného. Ţádný z těchto způsobů neumoţňuje výrobu článku o vyšší účinnosti neţ 10%, ale je východiskem k vývoji multi-vrstvových tenkovrstvých článků s vyšší účinností. Vyuţití efektu „light trapping“, tj. rozptylu světla na (nano)hrubém rozhraní mezi skleněnou podloţkou pokrytou hrubou vrstvou SnO2 či ZnO (vodivá průhledná elektroda). Tímto způsobem je dosaţeno zvýšení absorpce ve velmi tenké křemíkové vrstvě (cca 300 nm) a tím i zvýšení generovaného proudu [10,11]. Zvýšení účinnosti v průmyslové výrobě nastalo s příchodem tandemových tenkovrstvých článků amorfní křemík/mikrokrystalický křemík. Zde jiţ účinnost průmyslově vyráběných článků přesáhla 8 % a očekává se růst nad 10 %. Řadí se do 3 generace článků. Jednotlivé články se skládají na sebe (propojením přes tunelovací PN přechod) tak, aby kaţdý článek vyuţíval část slunečního spektra a tím došlo ke zvýší výsledného napětí naprázdno vícekrát neţ dojde ke sníţení proudu nakrátko [10]. Vyšší účinnosti lze dosáhnout pouţitím více vrstev, z nichţ kaţdá vyuţívá pouze část slunečního spektra - fotony, jejichţ energie je vyšší neţ šířka zakázaného pásu dané vrstvy - a ostatní záření propouští do niţších vrstev. Amorfní křemík má vysokou absorpci v oblasti modré, zelené a ţluté části spektra, mikrokrystalický křemík pak dobře absorbuje i v oblasti červené a infračervené. Základní podmínkou pro dobrou funkcí vícevrstvých článků (Obr. 3.7) je, aby kaţdý z článků generoval stejný proud. V opačném případě, horší (příp. nejhorší) z článků limituje dosaţitelnou účinnost. Výsledné napětí je pak dané součtem obou (příp. všech) článků. Článek typu n-i-p sloţené ze 2 aţ 3 článků na bázi amorfního křemíku a jeho slitin s germaniem [10,11]. Tato technologie byla vyvinuta a uvedena do průmyslové realizace firmou Unisolar [12].

Obr. 3.7: Schéma struktury trojitého sloţeného multispektrálního článku [12].

Nanotechnologie

57


Kadmium tellurid (CdTe) a měď indium selen (Cu(In,Ga)Se2, zkráceně CIS) jsou dva reprezentanti (bez Si) tenkovrstvých technologií. Fotovoltaické panely na bázi teluridu kadmia (CdTe) se jiţ vyrábějí s účinností v rozmezí 10-11 %. Jejich zásadním problémem však je obsah nebezpečných kovů, především kadmia, které z nich po vyřazení z provozu učiní nebezpečný odpad. Proto je v prodejní ceně článků zahrnuta i jejich kompletní recyklace (viz. firma First Solar). Navíc, Evropská unie směřuje k úplnému vyloučení kadmia z elektronické výroby, dosud s jedinou výjimkou, a to jsou právě CdTe fotovoltaické články. Jejich hromadná výroba se stále rozšiřuje, ale z dlouhodobé perspektivy tyto články nemohou konkurovat článkům křemíkovým [8]. Dvouvrstvé články mohou dosáhnout teoreticky účinnosti 42 %, třívrstvé 49 %, šestivrstvé kolem 65 %. Limit pro nekonečný počet vrstev je 68 %. Epitaxní multispektrální sluneční články na bázi polovodičů typu A3B5 (případně uţívající jako nejspodnější článek germaniový substrát) dosahují jiţ v současné době rekordních účinností fotovoltaické přeměny sluneční energie. Účinnost těchto laboratorních epitaxních článků se třemi PN přechody je v současnosti těsně pod hranicí 40% [13] a při pouţití ještě komplexnější struktury je plánováno dosaţení ještě vyšších účinností, viz. Obr. 3.8 [13,14].

Obr. 3.8: Multispektrální GaInP/GaInAs/Ge pro kosmické aplikace, optimalizovaný pro radiační odolnost s 3 p-n přechody na 100 mikrónů tenkém germaniovém substrátu [13,14]. Vícevrstvé články jsou výrobně výrazně náročnější neţ články jednovrstvé, tomu odpovídá i jejich cena, která v přepočtu na watt výkonu je asi 2 aţ 3krát vyšší neţ u současných technologií. V řadě případů jsou pouţívány suroviny, jejichţ dostupnost pro předpokládaný rozvoj fotovoltaických systémů není v dlouhodobém horizontu zajištěna.

Nanotechnologie

58


Doménou vícevrstvých článků jsou systémy pro napájení druţic, kde je vyšší cena vysoce vyváţena lepším poměrem výkonu k hmotnosti [8]. Pro pouţití v pozemských aplikacích, pro výrazné sníţení celkové ceny fotovoltaického sytému, jsou pouţívány ve spojení s koncentrátory slunečního záření [13]. Koncentrátorové články se řadí do třetí generace solárních článků. Jsou zaloţeny na koncentraci světelného záření pomocí zrcadla nebo Fresnelovy čočky, které jsou neporovnatelně levnější neţ polovodičové články. Pro jejich pouţití hovoří dva důvody. Především lze při vyšších intenzitách slunečního záření dosáhnout vyšší účinnosti. Teoreticky 41 % pro jednovrstvé, 55 % pro dvojvrstvé a 63 % pro třívrstvé články, limit pro nekonečný počet vrstev je 86 %. V praxi dosáhly třívrstvé články účinnosti přes 40 %. Druhým důvodem je cena vícevrstvých článků, která je výrazně vyšší neţ cena dnes nejběţnějších článků jednovrstvých. K jejich výrobě lze pouţít obecně dostupné materiály. Spotřeba drahých polovodičových materiálů na samotné články můţe klesnout aţ o dva řády [6]. V současnosti je rozpracovávána celá řada konceptů, které slibují do budoucna výrazné zvýšení účinnosti. Většina z nich je pouze ve fázi teoretického odhadu dosaţitelné účinnosti, není však známo, jak je realizovat v praxi. Úplný výčet by byl dlouhý, více informací lze najít na stránkách výzkumných center. Níţe jsou uvedeny jen některé z těch, u nichţ jiţ byly realizovány první experimenty [6]: 

speciální nanostruktury, tzv. supermříţky, umoţňující řídit šířku zakázaného pásu (quantum dot, quantum well), cílem výzkumu je vytvořit takové struktury z levných a dostupných materiálů, například křemíku

luminofory, které konvertují široké sluneční spektrum do uţší oblasti, která lépe odpovídá šířce zakázaného pásu pouţitého fotovoltaického článku (up/down converters)

termo-fotovoltaické články, selektivní absorber ohřívaný slunečním zářením vyzařuje dlouhovlnné záření v úzkém pásmu, které odpovídá šířce zakázaného pásu pouţitého fotovoltaického článku. S rozvojem nanotechnologií a se studiem jedno a dvou dimensionálních systémů,

vznikla moţnost pouţít nových vlastností těchto materiálů (kvantových jam či teček) pro posuv hrany optické absorpce a pro ovlivnění pravděpodobnosti optického přechodu. Se zmenšováním rozměrů se posouvá absorpční hrana křemíku směrem do viditelné a nakonec aţ do UV oblasti a současně roste pravděpodobnost optického přechodu [14,15]. Pro praktickou

Nanotechnologie

59


realizaci těchto článků, které mohou dosahovat teoretické účinnosti blíţící se 50%, je však třeba vyřešit řadu problémů základního výzkumu. Především je málo známo jak budou „defekty“ a neuspořádanost v distribuci (velikostí a vzájemných vzdáleností) kvantových teček ovlivňovat vlastnosti „syntetických materiálů“ tvořených těmito kvantovými tečkami. Výzkum v tomto směru by však měl přinést velké zvýšení účinnosti fotovoltaické přeměny sluneční energie, při zachování velmi nízké materiálové spotřeby jednoho z nejrozšířenějších prvků - křemíku. S nástupem nanotechnologií v materiálovém a fyzikálním výzkumu se otevírá celá řada moţností i pro fotovoltaickou přeměnu sluneční energie. Nové materiály, jako například uhlíkaté nanotrubky (nanotrubičky) lze pouţít v kompozitních slunečních článcích na bázi polymerů (zvýšení stability) či lze z nich vytvořit průhledné elektricky vodivé vstupní elektrody polymerních článků [16]. Další skupinou tenkovrstvých fotovoltaických článků jsou tzv. "dye sensitized cells", ty ovšem ještě nenalezly uplatnění v běţné aplikační sféře. Hlavním důvodem je jejich nestabilita. Přesto jsou perspektivními materiály pro výrobu solárních fotovoltaických (PV) článků a to díky jejich snadné aplikovatelnosti, vynikající mechanické flexibilitě a v neposlední řadě výrazně niţším pořizovacím nákladům [18]. Funkčnost organických materiálů ve fotovoltaických článcích je zaloţena na účinném přenosu náboje na fázovém rozhraní mezi látkou, která je po absorpci světla donorem elektronu, a jiným typem materiálu s velkou elektronovou afinitou, který je akceptorem. Účinnost článku závisí na velikosti plochy tohoto rozhraní v objemu vzorku a kontinuitě jednotlivých fází, zajišťujících účinný transport náboje k příslušné elektrodě. Zároveň je třeba vzít v úvahu rozpor mezi krátkou difúzní délkou excitonu, která se pohybuje v řádu 10 nm a penetrační hloubkou světla, která dosahuje v těchto materiálech aţ 100 nm. Foton, který je absorbován ve větší vzdálenosti od rozhraní donor-akceptor, neţ je difúzní délka excitonu, je proto z hlediska energetické bilance článku ztracen. Proto je v polymerních fotovoltaických článcích důleţitý "photon management", který zajistí efektivní vyuţití absorbovaných fotonů. K účinné fotogeneraci náboje je třeba docílit maximální absorpce v blízkosti rozhraní donoru a akceptoru [18]. Barvivem citlivé sluneční články („dye-sensitized solar cells“, DSSC) jsou fotovoltaické články zaloţené na nanoporézní tlusté vrstvě (typicky 10-20 mikrometrů) TiO2 na nějţ jsou navázány molekuly organických barviv, jako jsou ftalocianiny či porfiriny zinku či komplexnější struktury obsahující atomy ruthenia. Někdy jsou nazývány po svém objeviteli a propagátorovi Gratzel cells [19]. Jsou to jediné fotovoltaické články, jeţ lze zhotovit Nanotechnologie

60


„amatérským způsobem“, bez pouţití sloţitých technologických zařízení, z běţně dostupných surovin.

Obr. 3.9: Gratzel cells [20]. I kdyţ hranice 11% jejich účinnosti byla překonána jiţ před řadou let, stále je třeba vyřešit řadu zásadních problémů, jako je stabilita barviva, nahrazení kapalného elektrolytu polymerem (to se podařilo ale účinnost klesla na 4%) [19]. V ideálním případě je oxid titaničitý dielektrikem − tedy nevodičem, ovšem v důsledku výskytu tzv. bodových poruch v jeho krystalové mříţce se chová jako polovodič. Obecnou vlastností TiO2 je schopnost fotoexcitace. Pokud na jeho povrch dopadne záření o dostatečné energii (s vlnovou délkou přibliţně 365 nm, tedy v UV oblasti), vytrhne elektrony z jejich valenční oblasti a ty přeskočí do oblasti vodivostní. Vytrţené elektrony za sebou zanechávají kladně nabité elektronové vakance (díry), které mají značně vysoký oxidační potenciál [21].

Nanotechnologie

61


3.2 Použití solárních článků v dopravě Fotovoltaické panely z krystalického křemíku nachází své uplatnění v dopravě velmi těţko a to hlavně z důvodu poměrně velké velikosti (ploše) a hlavně váze. V dopravním průmyslu se vyuţívají v převáţné míře hlavně tenkovrstvé fotovoltaické panely a to i přesto, ţe nedosahují dostatečně velkého výkonu vztaţeného na jednotku plochy panelu.

3.2.1 Automobilová doprava Jednu z moţností sníţení ekologické zátěţe dopravnými prostředky představují hybridní osobní elektromobily. Osobný automobil je poháněný asynchronními trakčními motory, které čerpají elektrickou energii ze sekundárního článku, který je napájen z veřejné energetické sítě, diesel generátoru nebo fotovoltaickými či palivovými články [22]. Způsob přímého dobíjení baterií z fotovoltaického článku se v současnosti omezuje pouze na konstrukce solárních vozítek pro speciální závody. Takto poháněné automobily mají „nulové emise“ [22].

Obr. 3.10: Fotovoltaický panel jako zdroj elektrické energie pro trakční aplikace [22]. Pokud bychom pouţili v současnosti stále nejpouţívanější olověné elektrické trakční baterie (ETB), jejichţ princip je znázorněn na Obr. 3.10, z hlediska jejich finanční -1

nenáročnosti, je jejich energetická hustota cca 30 – 40 Wh.kg . V porovnaní s benzínem, který -1 má energetickou hustotu 3000 Wh.kg , je malá. Nevýhodu nutnosti dobíjení ETB, který si

vyţaduje čas 4 – 12 hodiny na doplnění energetické kapacity z 30% na 100%, pomáhá redukovat energetická činnost fotovoltaických článků, která představuje trvalý přísun elektrické energie v průběhu osvitu. Velká část realizovaných cest osobným automobilem v

Nanotechnologie

62


městské a příměstské dopravě nepřesahuje 80 km denně. Při předpokladu maximální doby do příjezdu do práce i s parkováním 1,5 hod. se během pracovní doby mohou dobíjet ETB z fotovoltaických článků cca 10 hod. Takto získaná energie uchovaná v ETB můţe podpořit trakční poţadavky hybridního elektromobilu. Z hlediska délky dojezdu je výhodnější pouţít 6V baterie, které mají vyšší specifickou hustotu energie. Z hlediska výkonu se upřednostňují 12V baterie. Některé pouţívané typy ETB v elektromobilech jsou uvedené v následující tabulce (Tab. 3.1) [22]. Tabulka č. 3.1: Parametry vybraných druhů sekundárních článků – baterií [22]: Délka na jedno nabití

Doba nabíjení

[km]

[h]

Současné Pb

90

8-17

Budoucí Pb

150

NI-Cd

180

8

65

99

Nikl-iron

170

4-8

60

99

Nikl-hydrid

380

90

90

Lithium-ionic

300

Typ baterie

Účinnost

Recyklovatelnost

[%]

[%]

65

97 100

50

Zavedení technologie energetických zdrojů hybridního elektromobilu brání zatím mnoţství technických a ekonomických bariér. Přesto technologie fotovoltaických a palivových článků uţ svoje první nesmělé kroky udělaly a jejich razantnější nástup se předpokládá po roce 2010 [22]. Jedním z nejaktivnějších výrobců aut s hybridním pohonem je Toyota. Zvláště její model Prius (Obr. 3.11) zde vyniká. V rozšířené výbavě Toyoty Prius lze zakoupit také střešní solární panel, který slouţí k produkci energie pro ventilační systém, kdyţ je auto zaparkované na slunci a lze takto zajistit uvnitř automobilu příjemnou teplotu. Solární panel Toyoty Prius se skládá z 36 krystalických křemíkových solárních článků s účinností 16,5 % s maximálním výkonem 50 W. Původně měl solární panel nabíjet baterii, ale tento nápad designéři zavrhli, protoţe opakované nabíjení a vybíjejí baterie by mohlo baterii škodit. Cena solární střechy je přibliţně 2000 dolarů navíc k ceně vozu [23].

Nanotechnologie

63


Obr. 3.11: Solární panel pouţitý na střeše Toyoty Prius pro napájení klimatizace vozu [23]. Další výrobci automobilů rovněţ uvaţují o včlenění solárních článků do pláště vozu, ovšem stále se jedná pouze o pomocné dobíjení klimatizace nebo dodatečných systémů. Auta čistě na solární pohon se nyní „prohání“ pouze na speciálních závodech. Prvním takovým závodem byl Tour de Sol, jenţ byl pořádaný v roce 1985. Ten nejznámější World Solar Challenge se jede z Darwinu do Adelaide více neţ 3000 km vyprahlou pouští. Solární vozítka (Obr. 3.12) zde dokáţou vyvinout rychlost přes 100 km/h [24]. Pro solární vozy jsou kaţdým rokem stanovena pravidla pro váhu pouţívaných baterií (např. pro Li-ion baterie 21 kg [25]) a plochu solárních článků (např. pro fotovoltaické pole z křemíkových článků 6 m2 [25]). Tělo vozítek se skládá z uhlíkatých vláken. Pod "kapotou" se pak skrývá řada dalších pokročilých technologií, které sniţují tření, zvyšují účinnost a lze očekávat jejich další vyuţití nejen u budoucích elektromobilů. Například vývojáře Hondy inspirovalo navrţené odpruţení dvojitými lichoběţníkovými závěsy k jeho rozšíření na sériová vozidla [26]. Pro pohon sériově vyráběných vozidel na elektrický pohon lze pravděpodobně předpokládat vyuţívání konceptu dobíjecích stanic. Modelování vhodného systému nabíjení autobaterií se řeší např. v rámci probíhajícího projektu EMSIS za spolupráce mezi Fraunhoferovým a Carnotovým ústavem. První výsledky prozatím odhalují obtíţe spojené s provozem stanic a hledají se určitá nastavení dobíjení elektromobilů. Dobíjecí stanice musí být například schopny vyrovnat se s výkyvy generace energie z fotovoltaické instalace a přizpůsobit se nabíjecímu příkonu, zjistit stav dobití baterie automobilu, atd. [26,27].

Nanotechnologie

64


Obr. 3.12: Solární vozy účastnící se závodu World Solar Challenge [24,26,27]. Zvyšuje se počet projektů, které se snaţí přijít se „zeleným“ přístupem k získávání elektrické energie pro dobíjecí stanice pro elektromobily, které jsou poháněné pouze pomocí solární energie nebudou zatěţovat energeticku síť. Příkladem můţe být projekt Mercedes-Benz España SA a španělské společnosti Acciona, který se zabývá volnou mobilitou vozů s elektromotorem v oblasti Madridu. V pilotním projektu Mercedes poskytne k pronájmu 42 aut s elektrickým pohonem zatímco Acciona nainstaluje infrastrukturu pro 121 dobíjecích stanic, které budou dodávat ze 100% z obnovitelných zdrojů energie. Projekt bude trvat 4 roky. Automobily se budou vyuţívat ve společnostech k běţné činnosti. Nabíjecí stanice budou umístěny v prostorách těchto společností, na soukromých adresách lidí, kteří budou pouţívat tyto automobily a na některých strategických bodech s přístupem veřejnosti [29]. Společnost Evergreen Solar nainstaloval novou solární nabíjecí stanici v dopravním uzlu ve Frankfurtu nad Mohanem. Dobíjecí stanice (Obr. 3.13) na solární energii poskytují

Nanotechnologie

65


bezplatné dobíjení baterií pro elektrických vozidel včetně Velotaxis, Segways, elektrické motorky a skútry [30].

Obr. 3.13: Dobíjecí stanice elektrických motorek a skútrů [30]. Rovněţ společnost Toyota uveřejnila svou představu o slunečních dobíjecích stanicích, které mají vzniknout v okolí města Toyota (21 stanic na 11 místech; nabíjecí stanice vyprodukuje 1.9kW ze sluneční energie, která je uloţena v baterii s kapacitou 8.4 KWh), Envision Solar vyvinula solární park, který můţe být instalován přímo na parkovištích (Obr. 3.14) atd. [30].

Obr. 3.14: Solární čerpací stanice [30]. Existují rovněţ spojení napájecích stanic s nákupními centry jako jsou představy společností Geotectura s tzv. Green Gasoline Station nebo aţ futuristické představy parkovišť v solární lesy (představa designéra Neville Marse, Obr. 3.15).

Nanotechnologie

66


Obr. 3.15: Solární napájecí parkoviště [30]. Jako zdroj fotovoltaické energie lze vyuţít také dálnice (Obr. 3.16). Se zajímavým konceptem vyuţití solárních panelů u dálnic jakoţto zdrojů energie přišla australská společnost Going Solar. V pilotním projektu spustila program, ve kterém podél australských dálnic podél Tullamarine Calder Interchange nainstalovala 500 m zvukových bariér, ze solárních panelů. Dálnice je umístěna poblíţ obytné oblasti, a tak vyprodukovaná elektřina je hned na místě spotřebovávána. Ročně solární články vyrobí asi 18,7 MW energie [31].

Obr. 3.16: Solární dálnice [31]. Od dálnic není daleko k dopravnímu značení. Zde se solární panely uplatňují v systémech malých instalací dobíjejících baterie pro dopravní značky zvyšující bezpečnost chodců (Obr. 3.17).

Obr. 3.17: Typ FV panelu: SOLARTEC SI 72-106 [32].

Nanotechnologie

67


3.2.2 Letecká doprava Počátky letadel poháněných pomocí solární energie sahají aţ do sedmdesátých let dvacátého století. Nejdříve se zkoušely malé lehké modely. První let letadla poháněného sluncem se konal 4.11.1974, kdy se vznesl dálkově ovládaný Sunrise II, navrţený Robertem J. Boucherem, který vzlétnul po spuštění z katapultu. Dalším z průkopníků solárních letadel byl Paul B. MacCready, ze společnosti AeroVironment, který v roce 1980 sestavil letadlo, jemuţ dal název Gossamer Pinguin (Obr. 3.18). Letadlo mělo rozpětí křídel 21,6 metrů a váhu bez pilota 68 kg [33].

Obr. 3.18: Gossamer Pinguin a Solar Challenger [33, 34]. Letadlo poháněl elektrický motor, který byl napájen 541 watty ze solárních panelů skládajících se z 3 920 křemíkových solárních článků [33]. Prvním pilotem se kvůli své nízké hmotnosti stal konstruktérův třináctiletý syn Marshall, který váţil 36 kg. Prvním oficiálním pilotem byla Jenice Brownová, která řídila 7. srpna 1980 letadlo Gossamer Pinguin II poháněné pouze solární energií bez přídavných baterií. Let trval 14 minut a 21 sekund a letadlo uletělo zhruba 3 km. Následující projekt Solar Challenger, kde jiţ byly solární články osazené v plášti křídla se uskutečnil 7. července 1981. Pilotovaný letoun přeletěl kanál z Francie do Anglie za 5 hodin a 23 minut, coţ se povaţuje za začátek létání s pohonem na solární energii [33]. Navazující projekty byly jiţ zaměřeny na bezpilotní letadla pro lety ve vysokých výškách Pathfinder, Pathfinder plus, Hélios, Centurion, Zephyr® (Obr. 3.19). Většinu získané energie z fotovoltaických článků musí letadla ukládat do baterií, tak aby mohla vyuţívat tento výkon pro noční lety ve vysokých výškách (nad 18 300 metrů). Letadla byla navrhována tak, aby

mohla plnit různé mise jako jsou měření, sledování silných bouří, monitoring pro

zemědělství, analýza signálů pro telekomunikaci. Technické parametry těchto solárních letadel Nanotechnologie

68


jsou specifikovány v Tab. 3.2. Tyto projekty povedou k uskutečnění dlouhotrvajících bezpilotních letů. První plánované mise se očekávají v období let 2010 aţ 2015 [33,35].

Pathfinder

Centurion

Helios

Zephyr®

Obr. 3.19: Bezpilotní letadla [33,35].

Tabulka č. 3.2: Parametry solárních letadel [33,35]: Rozpětí křídel

Délka

Váha

(m)

(kg)

(m)

Rychlost letu

Výstupní max. výkon

Výkon motoru

(km/h)

(W)

(kW)

Gossamer Pinguin

21,641

30,8

541

Solar Challenger

14.8

9.22

152.8

40- 54

2 700

1 x 2.7

Pathfinder

29.5

3.6

252

27- 32

7 500

6 x 1.25

Pathfinder-Plus

36.3

3.6

315

27- 32

12 500

8 x 1.5

Centurion

61.8

3.6

862

27- 33

31 000

14 x 2.2

Zephyr®

18

30

Nanotechnologie

69


Společnost Aurora, spolu s partnery BAE Systems, CS Draper Laboratory, a Sierra Nevada Corporation byla nedávno vybraná na výzkum bezpilotního letadla pro Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), v rámci programu "Vulture". Cílem projektu je vyvinout bezpilotní letadlo pro lety ve vysoké výšce tak, aby letoun vydrţel ve vzduchu po dobu 5 let bez nutnosti přistání. Můţe vykonávat následující úkoly: zpravodajství, sledování, průzkum (ISR) a komunikace v rámci vojenských misí nad oblastí zájmu. Ve skutečnosti bude letadlo mít pseudo-satelitní schopnosti, globální změny klimatu výzkum, sledování počasí a telekomunikací v regionálním měřítku. V rámci projektu se snaţí vyvinout takový integrovaný systém, který dovolí pouţití solárních článků nejen ve dne, ale také jejich vyuţití infračerveného záření v noci. Pro zdroj energie pro měřící a sledovací systémy se zkoušejí lithiové mikrobaterie z tenkých filmů. Při zkouškách vykazují vyšší výkon a ţivotnost neţ běţně uţívané baterie. Tento projekt je nyní do své druhé fázi, která zahrnuje sníţení rizik bezpilotního letu a testování má vyvrcholit v polovině roku 2012 (s tříměsíčním nepřetrţitým letem) [36].

Obr. 3.20: Vzhled budoucího letadla projekt Odyseus pro dlouhotrvající lety a), b) letadlo vyvinuté v rámci programu The SunLight Eagle [36,37]. Společnost Aurora také vyvinulo v rámci programu The SunLight Eagle letadlo pro létání ve vysokých výškách (Obr. 3.20), které má nízkou hmotnost a je určeno pro dlouhodobé mise. Projekt, jehoţ realizace začala v roce 2008, si slibuje vyuţití stroje pro moţnosti komunikace nebo jeho vyuţití jako levného satelitu [37]. Nejslavnějším pilotovaným solárním letadlem současnosti je Solar Impulse (Obr. 3.21) z roku 2003 a je pod patronátem Evropské komise za technické podpory, Evropské kosmické agentury a švýcarského technologického institutu ETH. Za projektem stojí Bernard Piccard, jenţ je proslulý svým obletem zeměkoule bez zastávky v balonu v roce 1999 a Nanotechnologie

70


konstruktér André Borschberg. Projekt Solar Impulse má ukázat, čeho lze jiţ dnes dosáhnout pomocí nových technologií pro pouţití bezemisních energií, bez minimálního zatíţení přírodních zdrojů. Cílem projektu je v roce 2010 obletět svět za 20 dní [38]. Letadlo je projektováno tak, aby bylo schopno nejen letět během dne pouze s pohonem na solární energii, ale také v noci. Křídla jsou dlouhá sedmdesát metrů a na povrchu jsou opláštěny solárními články. Pravděpodobná rychlost letadla dosáne 70 km/h. Pouţitých 10 748 solárních článků z monokrystalického křemíku je silných 130 mikrometrů. S touto tloušťkou vybírány právě pro svoji lehkost a výkonnost. K zajištění nočního letu budou pouţity akumulátory, které tvoří ¼ celkové váhy letadla. Letadlo bude rovněţ zajišťovat stálou teplotu v kabině a to i přesto, ţe letoun bude schopen vystoupat aţ do výšky 12 000 metrů [38,39].

Obr. 3.21: První vzlet letadla Solar Impuls [38,39]. Letoun má jiţ za sebou první zkušební let, který byl realizován dne 7.4.2010 vzletem z letiště Payerne. Vzneslo se do výšky 1 200 metrů a bylo ve vzduchu 87 minut. Během letu se testovaly reakce letounu na různé letecké manévry tak, aby se ověřila ovladatelnost letounu dle počítačových simulací [38]. Za dalším projektem Sunseeker stojí letecký konstruktér Eric Raymond, který představil svůj lehký solární letoun Sunseeker I jiţ v roce 1990 (Obr. 3.22). Několikrát s ním přeletěl celé území USA. Nyní se opět objevuje na scéně s notně vylepšenou verzí Sunseeker II. Maximálních rychlost letounu dosahuje 130 km/h. [40].

Nanotechnologie

71


Obr. 3.22: Solární letoun Sunseeker I [40]. Z projektem vzdálené budoucnosti přichází dvojice španělských nadšenců sdruţených ve společnosti Turtle Airships. Snaţí se přivést na svět vizi transatlantické solární vzducholodě a nyní připravují funkční prototyp, který by chtěli ukazovat případným investorům (Obr. 3.23) [41].

Obr. 3.23: Vize transatlantické solární vzducholodě [41, 42]. Vnější plášť vzducholodí má být pokryt solárními články, tenkovrstvými panely na bázi kadmium-indium-germanium, a to právě pro lehkost těchto prvků. Tenkovrstvé solární panely by měly dodat aţ 45 kW výkonu, čímţ by zajišťovaly rychlost 65 km/h při normálních podmínkách. Zároveň chtějí do svých vzducholodí namontovat alespoň jeden, lépe však dva dieselové agregáty. Důvodem je skutečnost, ţe vzducholodě budou létat relativně nízko a byly by tak závislé na počasí. Agentura americká DARPA se také zajímá o moţnost vyuţití automatických stratosférických vzducholodí. Měly by v obranném systému USA zastoupit především sledovací druţice, které se vznášejí buď příliš vysoko, nebo nad místem prolétají aţ příliš rychle. Tyto plavidla v konceptu HAA (high-altitude airship) by měla operovat ve výšce 18 km aţ jeden měsíc a sledovat při tom plochu o průměru 970 kilometrů [42].

Nanotechnologie

72


3.2.3 Železniční doprava Se solární energií se lze také překvapivě setkat v ţelezniční dopravě. Přes pozitivní enviromentální a ekonomické výhody se fotovoltaické technologie dosud neaplikovaly na ţelezničních vagónech. Projekt PVTrain prokázal pouţitelnost fotovoltaické technologie ve vlacích [1]. V Itálii společnost Trenitalia instalovala solární panely z amorfního křemíku ve formě dlaţdic do střechy vagónu pěti osobních vozů a na dvou lokomotivách a třech nákladních vagónech, které byly zapouzdřeny v polymeru a poloţeny na ocelový plech (Obr. 3.24). Solární panely slouţily k dobíjení akumulátorů a pomocných zařízení v průběhu cesty aniţ by byly závislé na hlavním elektrickém systému. Energie vyrobená fotovoltaickými panely mohou v osobních vagónech a lokomotivách dobíjet akumulátory pro osvětlení a klimatizaci. U nákladních vozů slouţí akumulátory jako napájecí zdroj pro zámky na ochranu přepravovaného zboţí [1].

Obr. 3.24: Fotovoltaika na střechách vagónů [1]. Obdobně jako u protihlukových stěn u dálnic, které by měly pokrývat solární panely, se také uvaţuje o zakrytí ţeleznic v subtropických oblastech solárními panely (Obr. 3.25). Ty by přispívaly energií do trolejového vedení. S tímto projektem solárního vysokorychlostního vlaku z Tucsonu do Phoenixu přišla společnost Solar Bullet. Maximální rychlost vlaku by měla být 355 km/h a vzdálenost necelých 190 km mezi zmíněnými dvěma městy by měl urazit během půl hodiny. Celkový výkon panelů by byl 110 MW. Odhadované náklady na vybudování tak odváţného projektu jsou 27 mld. Dolarů [43].

Nanotechnologie

73


Obr. 3.25: Zastřešená rychlodráha [43].

3.2.4 Lodní doprava V lodní dopravě se fotovoltaika objevuje spíše jako doplňkový zdroj energie pro různé pomocné systémy nebo pro hybridní pohony. Čistě solárním pohonem je napájen solární katamarán Sun21 (Obr. 3.26), kterého pohánějí dva elektromotory s výkonem 8 kW. O dodávky elektřiny se starají 520 Ah a 48 V baterie, jejichţ ţivotnost dosahuje 12-ti hodin bez přísunu energie z fotovoltaických panelů. Loď je 14 m dlouhá a 6,6 m široká. Fotovoltaické panely jsou zavěšeny mezi trupy. Pokrývají plochu 65 m2 a jejich výkon představuje 2 x 5 kW. Loď má maximální rychlost sedm uzlů, přičemţ běţná cestovní rychlost je 5 - 6 uzlů (10-12 km/h). Tato rychlost je srovnatelná s průměrnou rychlostí plachetnic. Tento katamarán má na svém kontě první přeplavání Atlantiku solární lodí [44].

Obr. 3.26: Katamarán [44].

Nanotechnologie

74


V současnosti snad nejznámější projekt je katamarán PlanetSolar (Obr. 3.27), který je poháněn pouze sluneční energií. Solární energie je získávána z fotovoltaických panelů poloţených na 536 m2 povrchu lodě, s maximálním výkonem 93,5 kW a účinností solárních panelů z krystalického křemíku 18,8 %. Délka lodi je 31 m, šířka 15 m a výška 6,1 m. Průměrná rychlost katamaránu je 14 km/h a maximální 25 km/h. Cílem plavby je jako v případě projektu Solar Planet zpopularizovat moţnosti alternativních zdrojů. V roce 2011 se má vydat na cestu kolem svět a překonat více neţ 50 000 km [45].

Obr. 3.27: Katamarán Solar Planet [45]. Fotovoltaika se velmi osvědčila při pouţití napájení navigačních systémů u sportovních plachetnic (Obr. 2.28). Příkladem můţe být solární panel z monokrystalického křemíku s výkonem 50 W vyvinutý pro jachtu Davida Kříţka, ten se zúčastnil extrémního celosvětového závodu přes Atlantik - TRANSAT 6.50, kde se umístil na 3. místě [46].

Obr. 3.28: Sportovní plachetnice Davida Kříţka [46]. Nanotechnologie

75


Tento panel musel splňovat několik specifických vlastností: být co nejlehčí, mít dostatečně vysoký výkon a současně odolávat extrémním podmínkám na moři (odolnost vůči slané vodě, mechanickému namáhání panelu při bouřích).

3.3 Navigační systémy v dopravě Pro potřeby technického zabezpečení pravidelné dopravy a to především námořní a letecké, bylo nezbytné vyvinout vhodné navigační metody, umoţňující vést dopravní prostředky po předem určených trasách. Fotovoltaika se uplatňuje u systémů vyuţívajících satelity. V současnosti jsou realizovány 3 projekty vyuţívající satelitní systém GNSS (Global navigation satellite system). Projekt NAVSTAR – GPS, oficiálně zahájen 17. prosince 1973 v USA, GLONASS (Globalnaja navigacionnaja sputnikovaja sistema), který začal budovat tehdejší Sovětský svaz v osmdesátých letech a zatím posledním je připravovaný projekt Evropské unie s názvem Galileo, jeho realizaci bylo rozhodnuto na přelomu roku 2000 a 2001. Zatímco první dva systémy vychází z vojenských systémů, projekt Galileo je čistě civilní [47]. Jak jiţ bylo výše zmíněno navigace hraje důleţitou roli v dopravě. Součástí dnes běţně pouţívaného systému GPS navigace jsou tři části [47]: 1. Vesmírná: skládající se ze satelitů. Projekt GPS: 24 satelitů putujících kolem Země ve výšce 10 900 námořních mil (20 200km) nad povrchem. Na 6-ti orbitálních drahách se pohybují 4 satelity, které obletí Zemi v průběhu 12 hodin. Semisynchronní oběţná dráha; projekt GLONASS (Globalnaja navigacionnaja sputnikovaja sistema) satelity mají niţší oběţnou dráhu 19 100 km po kruhových oběţných dráhách se sklonem 64,8° a s oběţnou dobou 11 hod.; 30 druţicemi rozmístěnými na třech oběţných rovinách na střední oběţné dráze cca 23 616 km. Oběţná doba druţic bude tři dny. Sklon oběţných drah bude 56°, coţ spolu s oběţnou výškou zajistí dobré pokrytí signálu i v severních oblastech Evropy. 2. Kontrolní: Většinou bezobsluţné monitorovací stanice umístěné po celém světě, sledující a monitorující satelity (obzvláště funkčnost, přesný čas a polohu). 3. Uživatelská: Přijímač signálu GPS vyhodnocující časový signál z několika satelitů současně, vyuţívající triangulace (Triangulating) a umoţňující určit velmi přesnou pozici zařízení [47,48].

Nanotechnologie

76


Obr. 3.29: Princip navigačních satelitních systémů [48]. Solární články pro orbitální mise prošly velkým vývojem. Od prvních solárních článků na bázi křemíku pouţitých na sondě Vanguard 1 v roce 1958 s účinností 11% (Obr. 3.30) [5]. První články byly zaloţeny na p-typovém monokrystalickém křemíku. Následně se přešlo na n-typový křemík a na jiné antireflexní vrstvy. Od krystalického křemíku se ustoupilo a pro zvýšení účinnosti se začaly pouţívat multi-přechodové články na bázi GaInP/GaAs s účinností nad 22%. Nyní se pouţívají solární články sloţené ze čtyř vrstev s účinností okolo 40 % [5]. Plocha solárních panelů musí obecně splňovat přísná kritéria. Panely musí vykazovat extremně vysokou spolehlivost v nehostinných podmínkách okolního vesmíru. Design musí být takový, aby panely vykazovaly odolnost hlavně vůči vesmírnému prachu a UV radiaci. Nanotechnologie

77


Tok nabitých částic je zvláště škodlivý na orbitě při průchodu přes van Alenovy pásy elektronů a fotonů zachycovanými elektromagnetickým polem Země. Pokud by byly satelity na nízké orbitě, jsou nebezpečně ovlivňovány zbytkovou atmosférou. Ionizovaná plazma na povrchu způsobuje sníţení výkonu, coţ můţe vést k poruchám a přítomnost atomů kyslíku způsobuje rozrušení exponovaného povrchu a můţe sondu brzdit. Vysoký poměr výkonu k váze je základním kritériem solárních panelů, protoţe kaţdý kilogram váhy vyneseny na orbit je extrémně drahý a rovněţ výroba takových panelů je velmi drahá [5].

Obr. 3.30: Sonda Vanguard 1, satelit pro systém GPS [49,50].

Nanotechnologie

78


4.

FINANCOVÁNÍ NANOTECHNOLOGIÍ V DOPRAVĚ Kapitola 4, autor: doc. Ing. Aleš Slíva, Ph.D. Nanotechnologie představují obrovský vědecký potencionál s moţnosti aplikační

sféry do automobilového průmyslu a dopravního inţenýrství. V minulém desetiletí vzrostly veřejné finance z 400 milionů EURO v roce 1997 na cca 3 miliardy EURO na rozdíl od financování soukromého sektoru, který lze jen ztěţí hodnotit a odhaduje se na hodnotu 2 miliardy EURO. V tomto směru bohuţel EU zaostává o více neţ 10% za velmocemi USA a Japonskem [1]. Samotné nanotechnologie cíleny na dopravu, vývoj nových konstrukcí s lepšími vlastnostmi, pouţití nových materiálů apod. nejsou financovány specifickým grantovým programem pro vědu a výzkum v této oblasti v USA, EU a ve světě, ale jsou zahrnuty v rámci jiných obecnějších programů a podprogramů [2,3]. Nanotechnologie v Evropě získala velice dobrou startovací pozici díky systematické podpoře a tvorbě poznatkových základen v letech 1995 aţ 2000. Tato podpora byla realizována v rámci „větších“ ucelenějších podpůrných programů (např. nové materiály, biotechnologie apod.). Evropa má stejně dobrou startovací pozici jako země USA a Japonsko v oblasti nanotechnologií, porovnáme-li podíl publikací těchto zemí se zaměřením na oblast nanotechnologií. Co se týče transferu technologií do praxe, USA vítězí na celé čáře i v rámci vyjádření výsledků na obyvatele [4]. Evropa v posledních letech významně zvýšila prostředky vloţené do oblasti nanotechnologií z cca 200 milionů EURO v roce 1997 přes 1 miliardu EURO k dnešku a to pro národní a regionální programy. Je důleţité zdůraznit, ţe EU financuje nanotechnologie 0,01% HDP, USA také 0,01% HDP a Japonsko přibliţně 0,02% HDP. Bohuţel finanční prostředky vynakládané do oblasti nanotechnologie v Evropě nejsou tak cílené a jsou skryté pod jinými oblastmi (fragmentace programů) [3]. Inovace v oblastí nanotechnologií jsou hybnou silou hospodářského růstu na světovém trhu, musejí být však v kaţdé míře podpořeny výzkumem. Z tohoto důvodů je důleţitých 5 oblastí týkající se právě problematiky výzkumu: inovace, společenská dimenze, VaV, infrastruktura a vzdělání a celoţivotní vzdělávání [1]. V rámci intenzivního rozvoje VaV na poli nanotechnologií je nezbytný rozvoj špičkových VV kapacit. Důleţitými prvky jsou především veřejné zdroje, konkurence VV odborníků v Evropské dimenzi a především

Nanotechnologie

79


dostatek VV pracovníků. Vše je spjato k cíli realizovat poznatky získané v této oblasti do inovovaných výrobků a technologií zlepšující konkurenceschopnost evropského průmyslu. Konkurenceschopnost by byla nemyslitelná bez vybudování infrastruktury světové úrovně zaměřené na oblast nanovědy a nanotechnologie. Zajistí tedy přístup k nejnovějším zařízením, vzdělávání na poli nanotechnologií a nanovědy apod. Toto by bylo nemyslitelné bez vzniku. V rámci EU je nezbytné hledání nových výzkumníků a inţenýrů, kteří můţou generovat poznatky a cíleně realizují jejich transfer do průmyslu. Důleţitý je také aspekt výchovy toxikologů a posuzovatelů rizik pro lidské zdraví plynoucí z nanotechnologií.

4.1 Možnosti financování nanotechnologií v ČR Výzkum a vývoj v České republice je strukturován do dvou nejzákladnějších forem: a) institucionální financování, tj. financováním z institucionálních prostředků vyhrazených v rámci rozpočtu ČR. Lze jimi např. financovat výzkumné záměry, specifické výzkumy na VŠ popř. další aktivity mezinárodní kooperace apod. b) financování s podporou prostředků z EU nebo státního rozpočtu ČR v kombinaci v vlastními zdroji dofinancování. Obvykle se jedná o podporu malých, drobných a středních podnikatelů, kteří hodlají např. rozšířit výrobu, inovovat své produkty, event. rozšířit produkty na trhy EU. V tomto případě stát řídí a koordinuje dotace z EU/rozpočtu ČR a sleduje účelovost financování. c) účelové financování, kdy se jedná se o podporu výzkumných projektů zaměřených např. na grantové projekty, programové projekty, projekty pro státní správu apod. Je nutné podotknout, ţe výhradním uţivatelem je stát a ten vyhlašuje veřejnou soutěţ podle zákona č. 137/2006 Sb. d) neinstitucionální –soukromé financování- plně v souladu vlastního investora s jeho 100% účastí.

4.2 Financování nanotechnologií v Evropské únii Základním dokumentem je dokument přijatý Evropskou komisí v roce 2004, který poskytuje základní návod na zabezpečení rozvoje nanotechnologií a to dle potřeby zvýšení finanční podpory VaV, nutnosti tvorby vědecko-výzkumné infrastruktury, zajištění multidisciplinárního vzdělávání a transferu technologií ze základního výzkumu do praxe a následný monitoring sociálně-ekonomického dopadu a dopadu na lidské zdraví.

Nanotechnologie

80


Akční plán pro Evropu 2005 - 2009-Nanovědy a nanotechnologie přijatý Evropskou komisí v červnu 2005 přesně vymezil cíl oblasti a témata 6.rámcového projektu zaměřená na nanotechnologie, která byla směřována na dlouhodobý interdisciplinární výzkum jevů v oblasti nanosvěta a na oblast standardizace, dále pak na tvorbu nových nanomateriálů a nanokompozitů, oblast nanobiologie, zařízení a přístroje pro manipulaci v oblasti nanosvěta a především průzkum a moţnosti v oblasti aplikace nanotechnologií v oblastech ţivotního prostředí, chemie, potravinářství, energetice apod. Téma nanotechnologie je zakotveno v 3. prioritě Nanotechnologie a nanovědy, inteligentní multifunkční materiály, nové výrobní procesy a zařízení. V rámci ČR se podalo celkem 708 společných projektů zaměřených na oblast nanotechnologie, kde podpořených projektů bylo přijato 139 z čehoţ financovaných projektů celkem bylo schváleno 87. V rámci podpor poskytovaných výzkumným institucím pro vyhlášený 7. rámcový program podpory vědy a výzkumu zahájený v roce 2006, představuje nanotechnologie hlavní pilíř rozvoje vědy techniky a má hlavní význam pro zajištění rozvoje evropské vědy a konkurenceschopnosti

společně

s rozvojem

informatiky,

medicíny,

elektroniky

a

telekomunikací, rozvoje zdrojů obnovitelné energie, materiálového inţenýrství apod. Nanotechnologie jde průřezovou strukturou všemi tématickými oblastmi. 7. rámcový program ve své podstatě představuje hlavní nástroj Evropské unie pro financování vývoje a výzkumu [6]. V rámci čerpání financí představuje objem v letech 20072013 cca 50,5 mld. EURO. Základní struktura rámcového programu je navrţena z pohledu konkurenceschopnosti a zaměstnanosti a také z pohledu koncentrované mezinárodní spolupráce. 7. rámcový program je sloţen ze 4 základních specifických programů v souladu s vytýčenými cíly výzkumné evropské politiky [6]. Vše je zaloţeno na mezinárodní spolupráci v rámci řešení témat stanovených podle priorit a potřeb evropské společnosti a průmyslu. Jedná se o programy: Spolupráce-základní výzkum bez omezení tematiky, program Myšlenkyrozvoj lidských zdrojů ve všech vědních oborech, program Lidé-tvorba nových a podpora existujících výzkumných kapacit a program Kapacity- výzkum ve prospěch malých a středních podniků. Je nutné také zdůraznit, ţe z 7. rámcového programu jsou podporovány aktivity Společného výzkumného centra Evropské komise (JRC). Program Spolupráce je nejvíce dotovaný z rozpočtu a podporuje kooperaci průmyslové a akademické sféry v mezinárodních výzkumných projektech a to v deseti tématických oblastech:

Nanotechnologie

81


1.

Zdraví je spojováno s oblastmi biotechnologie, genetické nástroje, nové a inovativní technologie pro lidské zdraví, translační výzkum pro lidské zdraví a na optimalizaci poskytování zdravotní péče občanům Evropské unie. Hlavním cílem je zdraví občanů EU, dále pak zvýšení konkurenceschopnosti biomedicinského výzkumu na půdě EU, vývoj a validace nových léčebných postupů, boj s novými epidemiemi s důrazem na děti, stárnoucí populaci a další ohroţené skupiny.

2.

Zemědělství, potraviny a biotechnologie Jedná se o výzkumné aktivity zaměřené na zemědělství, lesnictví, rybářství, udrţitelnost produkčních systémů, zdraví a ochranu rostlin a zvířat. Významnou součástí programu jsou potraviny a potravinářské technologie se zaměřením na spotřebitele, jeho postoje a preference, dopad na výţivu a zdraví. Důraz je kladen na kvalitu a bezpečnost potravin, vliv na zdraví a vztah k potravinovému řetězci. Poslední oblastí je zaměření na podporu moderních biotechnologií, vyuţití zdroje biomasy, vyuţití rostlin a dalších organismů pro produkci cenný látek vyuţitelných v průmyslu.

3.

Informační a komunikační technologie Tento program je zaměřen na potřeby průmyslu z oblasti nových aplikací pro udrţitelné zdravotní systémy, individuální péči a systémy pro nezávislý ţivot nemocných a starších lidí, aplikace pro pouţití digitálního obsahu ve vzdělávání a zachování kulturního dědictví. Do této skupiny také patří inteligentní a bezpečná doprava, udrţitelné ţivotní prostředí a energetická účinnost. Technologická část je zaměřena na budoucnost internetu a komunikací, rozpoznávací systémy a nové generace robotů a součástkové základny.

4.

Nanovědy, nanotechnologie, materiály a nové výrobní technologie Výzkum, zkoumání jevů v oblasti nano a manipulace s hmotou, vývoj nanotechnologií k přípravě nových produktů a dopadem nanotechnologií na společnost, zdraví a ţivotní prostředí. Cíleně je výzkum zaměřen na multifunkční plochy a materiály s předem poţadovanými vlastnostmi (nanomateriály, biomateriály, hybridní materiály). Program je zaměřen na výzkum nových technologií zaměřených na sníţení zdrojové náročnosti evropského trhu.

5.

Energie Aktivity jsou zaměřeny na náhradu stávajícího energetického systému na systém méně závislý na fosilních palivech, udrţitelnější, zaloţený na různých zdrojích energie i u pohledu vyšší energetické účinnosti. Hlavním smyslem je najít nové výzkumné směry,

Nanotechnologie

82


nové technologie v oblasti obnovitelných zdrojů, sniţování emisí CO2, inteligentních rozvodných sítí, energetických úspor a energetické účinnosti. 6.

Životní prostředí Jedná se o program zaměřený na zlepšení znalostí o vzájemném působení klimatu, biosféry, ekosystémů a lidských činností, na vývoj nových technologií, nástrojů a sluţeb spojených pro předvídání změn klimatu a ekosystémů, dále pak na pochopení vlivu

ţivotního

prostředí

na

člověka,

sledování

prevenci,

zmírňování

environmentálních tlaků, monitorování a hodnocení udrţitelnosti přirozeného a antropogenního ţivotního prostředí. 7.

Doprava (včetně letectví) Řešení problematiky letecké a pozemní dopravy (ţelezniční, silniční a lodní), kde cílem je omezení negativního vlivu dopravy na ţivotní prostředí, zvýšení časové a finanční efektivity přepravy osob a zboţí, zlepšení návaznosti jednotlivých druhů přepravy, bezpečnosti dopravy a zajištění špičkové technické úrovně evropských přepravních sítí a systémů.

8.

Společensko-ekonomické humanitní vědy Program je zaměřen na společenské otázky EU, na politický dopad výsledků projektů a na spolupráci různých disciplín.

9.

Kosmický výzkum Je soustředěn na aplikace vyuţívající druţicové systémy ve prospěch politik EU (projekt GMES-Global Monitoring for Environment and Security), průzkum vesmíru (v kooperaci s Evropskou kosmickou agenturou a mezinárodními kosmickými agenturami) a technologický vývoj určený k vyšší bezpečnosti.

10.

Bezpečnost Hlavním cílem je vytvoření technologického a znalostního potenciálu potřebného k zajištění bezpečnosti obyvatelstva před hrozbami terorismu, přírodních katastrof a průmyslových nehod při respektování základních lidských práv a soukromí a dále koordinace a strukturování bezpečnostního výzkumu.

Hlavním cílem tohoto programu je posílit excelenci a dynamiku evropského průzkumu a zvýšit přitaţlivost EVP (Evropského výzkumného prostoru). Je zde podporován špičkový výzkum a program poskytuje granty pro nadané začínající i zkušené výzkumné pracovníky. Lidé představují největší potenciál v oblasti vědy a výzkumu. V rámci programu je podporována mobilita výzkumných pracovníků z zemí EU a přidruţených zemí, ale také Nanotechnologie

83


pracovníků z jiných zemí neţ EU. Podporovány jsou aktivity spojné se školením začínajících výzkumných pracovníků, celoţivotní vzdělávání a profesní růst, spolupráce akademické sféry s průmyslem, spolupráce se zeměmi mimo EU apod. Jedná se o program zaměřený na zvyšování výzkumných a inovačních kapacit v Evropě. Je rozdělen do 6 základních částí [6]: -

výzkumné infrastruktury (vyuţití a rozvoj výzkumných infrastruktur v Evropě, podpora vytváření nových);

-

výzkum ve prospěch malých a středních podniků (MSP);

-

regiony znalostí (podpora v rámci řízených klastrů);

-

výzkumný potenciál (výzkum technologických a výzkumných kapacit);

-

věda ve společnosti;

-

mezinárodní spolupráce (mapování vědeckého potenciálu ze zemí EU i mimo EU).

4.3 Rozpočet 7. RP a 7. RP EURATOM Rozpočet 7. rámcového programu činí celkem 50,5 mld. EURO a je rozčleněn na 5 podprogramů (JRC-Společné výzkumné centrum Evropské komise-nejaderný výzkum, Kapacity, Lidé, Myšlenky a Spolupráce). Pro rozpočet 7. RP EURATOM je vyčleněno 2,8 mld. EURO a to na aktivity spojené přímo s jaderným výzkumem JCR, fúzí a jaderným štěpením včetně radiační ochrany. Evropská komise počítá do roku 2015 s cíleným zdvojem aţ ztrojnásobením výdajů na oblast týkající se nanotechnologií s porovnáním s předešlým 6. rámcovým programem. Evropská komise klade velký důraz na oblast vytváření mezinárodních sítí. V České republice je aktivita rozvíjena v rámci společných projektů NENAMAT, NANOMAT a MNT ERANET. Témata zaloţená na zkoumání problematiku v oblasti nano je uvedena pod pracovním programem Spolupráce s názvem Nanovědy, materiály a nové technologie (NMP). Národní projekty s podporou Ministerstva průmyslu a obchodu Jedná se zejména o programy IMPULS a TANDEM a Národní program výzkumu II-téma Trvalá prosperita v oblasti Nanomateriály a procesy, Nové metody nanodiagnostiky a Nové polovodičové senzory a nanosoučástky. Programy v gesci Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy Program Výzkumná centra a Centra základního výzkumu a Národní program výzkumu IIZdravý a kvalitní ţivot, oblast Nanomateriály v biologii a medicíně. Nanotechnologie

84


Projekty Grantové agentury ČR (GAČR) Zde je moţno se zúčastnit projektů v Technických, přírodních a lékařských vědách, humanitních a společenských vědách a zemědělských vědách [7]. Projekty Grantová agentura Akademie věd GAAV Akademie věd ČR připravila specifický program Nanotechnologie pro společnost (kód KA, vyhlášeno dne 14.12.2005, ukončení programu 2012) s podoblastmi-Nanočástice, nanovlákna a nanokompozitní materiály, Nanobiologie a nanomedicína, Nano-makro rozhraní, Nové jevy a materiály pro nanoelektroniku apod. Hlavním cílem byla stabilizace a přiblíţení se novým technologiím v oblasti výzkumu a praktického pouţívání nanotechnologií a nanomateriálů [7]. Projekty Technologické agentury ČR (TAČR) Technologická agentura České republiky připravila pro roky 2011 aţ 2016 program ALFA s celkovým předpokladem výdajů ve výši 11 628 mil. Kč, z toho ze státního rozpočtu 7 558 mil Kč (cca 65% průměrné míry podpory) [5] a připravuje další programy BETA a OMEGA. Hlavním cílem programu ALFA je transfer poznatků aplikovaného výzkumu a experimentálního vývoje do oblastí: progresivních technologií, materiálů a systémů, energetických zdrojů, ochrany a tvorby ţivotního prostředí a udrţitelného rozvoje dopravy. První výzva programu v r. 2010 byla uskutečněna dne 24.3.2010 s předpokladem zahájení úspěšně podpořených projektů v r. 2011 se strukturou přijatých projektů pro jednotlivé podprogramy. Podprogram Progresivní technologie, materiály a systémy je zaměřen na konkurenceschopnost českých podniků v oblastí technologií zaměřené na vysoký potenciál inovace např. pokročilé materiály, nanotechnologie, mikro a nanoelektronika, průmyslová biotechnologie, fotonika a informační a komunikační technologie. Specifickými cíli podprogramu jsou: sníţení materiálové a energetické náročnosti při zvýšení uţitných vlastností výrobků s vyuţitím progresivnějších technologií, zlepšení uţitných vlastností materiálů, které mají potenciál pro vyuţití ve více oborech, zvýšení bezpečnosti, rychlosti, kapacity a kvality systémů pro přenos informací a posílení interdisciplinarity v aplikovaném výzkumu a experimentálním vývoji. Předpokládá se s celkovými výdaji ve výši 4 653 mil. Kč a výdaji ze státního rozpočtu ve výši 3 023 mil. Kč při průměrné míře podpory 65%. Podprogram Energetické zdroje a ochrana a tvorba životního prostředí je zaměřen na efektivní a environmentální vyuţívání přírodních zdrojů při zachování či zvyšování kvality přirozeného a umělého ţivotního prostředí. Je reflexí na potřebu zabezpečení ochrany

Nanotechnologie

85


ţivotního prostředí v rámci udrţitelného vyuţívání zdrojů. Hlavním cílem je zvýšení mnoţství a kvality poznatků aplikovaného výzkumu a experimentálního vývoje environmentálně šetrných technologií, výrobků a postupů a energetických zdrojů a systémů vedoucích k ochraně a zvyšování kvality přirozeného i umělého ţivotního prostředí a zabezpečení trvale udrţitelného rozvoje společnosti a hospodářství [5]. Specifickými cíli podprogramu dle [5] jsou: -

sníţení dopadu antropogenních vlivů na ţivotní prostředí,

-

omezení negativních následků ţivelních pohrom a jejich předcházení.

-

zvýšení spolehlivosti a bezpečnosti dodávek z obnovitelných zdrojů,

-

zvýšení ekologické šetrnosti a zajištění vyšší efektivity energetického vyuţívání paliv,

-

zefektivnění a zvýšení kapacity přenosu energie.

Celkové výdaje jsou odhadovány na 4 653 mil. Kč, z čehoţ výdaje ze státního rozpočtu tvoří 3 023 mil. Kč při průměrné míře podpory 65%. Podprogram Udržitelný rozvoj dopravy je zaměřen na rozvoj dopravní infrastruktury, dopravních systémů a dopravních prostředků jako základního kamene konkurenceschopnosti státu v rámci pohybu materiálu a osob v čase a prostoru. Cílem je menší zatíţení ţivotního prostředí, vyuţívání ekologicky šetrnějších materiálů, vývoj nových paliv, pohonů s cílem dosaţení energeticky a ekologicky šetrné a bezpečné dopravy [5]. Specifickými cíli podprogramu jsou: - sníţení negativních vlivů dopravních prostředků na ţivotní prostředí včetně zvýšení účinnosti pohonů, vývoje nových pohonných systémů a paliv, - zvýšení bezpečnosti dopravních prostředků a sníţení jejich nehodovosti, - sníţení negativních vlivů infrastrukturních staveb na ţivotní prostředí (např. prachu, vibrací, světelného znečištění apod.). - zvýšení bezpečnosti a ţivotnosti dopravní infrastruktury, - zvýšení plynulosti dopravy s vyuţitím dopravní telematiky. Předpokládané výdaje v tomto programu jsou 2 342 mil. Kč, z čehoţ ze státního rozpočtu je vyhrazena částka 1 511 mil. Kč při průměrné míře podpory 65%.

Nanotechnologie

86


ZÁVĚR Tato práce slouţí pouze jako obecný nástin moţností vyuţití nanotechnologií a nanomateriálů v dopravě, resp. v automobilovém průmyslu. Je zřejmé, ţe toto odvětví je v průmyslu jedno z nejrychleji se rozvíjejících, a proto lze očekávat, ţe postupem času bude stále více a více vyuţívat moderních interdisciplinárních odvětví jako jsou nanotechnologie, které mu umoţní zvyšovat komfort, bezpečnost a spokojenost zákazníků. Obecně lze říci, ţe v rozvoji jak výzkumu, tak praktického vyuţití nových materiálů je značná nevyuţitá příleţitost, kterou nové materiály a materiály pro extrémní podmínky nabízejí jak pro své uţivatele tak pro distributory těchto materiálů.

Nanotechnologie

87


LITERATURA Kapitola 1 [1]

Wilhelm, M. Materials used in automobile manufacture - current state and perspectives. Journal de Physique N 111, Vol. 3, 1993.

[2]

Procházka, R. Nanotechnologie - malé rozměry, velké moţnosti. Automa, č. 10, 2004, [online]. [cit. 2010-2-23]. Dostupný z www.automa.cz/automa/2004/au100448.htm.

[3]

Thostenson, E.T., Li, Ch., Tsu-Wei Chou. Nanocomposites in context. Review. Composites Science and Technology 65, 2005, p. 491-516.

[4]

Barabaszová, K. Nanotechnologie a Nanomateriály. 1. vydání. Ostrava: Tiskárna Schenk, 2006. 158 s. ISBN 80-248-1210-X.

[5]

Sodomka, J. Fullereny – struktura, vlastnosti a perspektivy pouţití v dopravě. Výukové texty. České vysoké učení technické v Praze, Fakulta dopravní. 2009.

[6]

Nanostudie - Výzkum nanotechnologií a nanomaterialů v Evropě a USA. REPRONIS Ostrava, 2008.

[7]

Narita, N., S. Nagai, S. Suzuki and K. Nakao. Optimized geometries and electronic structures of graphyne and its family, Phys. Rev. B58, 1998, p. 11009-11014.

[8]

Narita, N., S. Nagai, S. Suzuki and K. Nakao, Electronic structure of three-dimensional graphyne. Phys. Rev. B62, 2000, p. 11146-11151.

[9]

Zeng, .Q.H., Z.Wang, D., Yu, A. B. and Lu, G.Q. Synthesis of polymer-montmorillonite nanocomposites by in situ intercalative polymerization. Institute of physics publishing, Nanotechnology 13, 2002, p. 549-553.

[10] Bhaduri, S. and Bhaduri, S.B.. Recent Developments in Ceramic Nanocomposites. Overview, Emerging Technologies, JOM, January 1998, p. 44. [11] Jirásek, J., Loţiska rud, HGF, VŠB-TU Ostrava, 2006. [HTML dokument]. [cit. 2010-45]. Dostupný z http://geologie.vsb.cz/loziska/loziska/rudy/zlato.html. [12] Hornyak, G.L., Dutta, J., Tibbals, H.F and Rao, A.K. Introduction to Nanoscience. CRC Press. Boca Raton-London-New York, 2008. 10 p. [13] GM Research: Nanostructures on lotus leaves inspire research on self-cleaning surfaces. [HTML

dokument].

[cit.

2010-14-2].

Dostupný

z

http://www.nanowerk.com/news/newsid=279.php). [14] Berger, M. Nanotechnology material, heal thyself 2010 [HTML dokument]. [cit. 20103-6]. Dostupný z http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=2067.php).

Nanotechnologie

88


[15] Self-healing surfaces 2009 [HTML dokument]. [cit. 2009-9-3]. Dostupný z http://www.physorg.com/news168525937.html. [16] Stylish, Safety & Comfort [HTML dokument]. [cit. 2009-9-3]. Dostupný z http://www.infibeam.com/static/tata-nano.html. [17] Uzlík, J., Ličbinský, R. Pevné částice produkované dopravou. Centrum dopravního výzkumu, MŠMT, Technická zpráva, 16.1.2008. [18] Tata Nano: Tata Motors Announces Launch Date. [HTML dokument]. [cit. 2009-9-3]. Dostupný z http://www.autoblogs.in/2009_02_01_archive.html. [19] Janda, M. Budoucnost automobilismu je v elektřině? 21. století, měsíčník, květen 2008, s. 22. [20] iskup, P. Jezdili jsme s autem na vodík. 21. století, měsíčník, červen 2007, s. 111. [21] World’s cheapest car is launched [HTML dokument]. [cit. 2009-3-26]. Dostupný z http://indolinkenglish.wordpress.com/2009/03/page/2. [22] [HTML dokument]. [cit. 2009-9-3]. Dostupný z http://www.biketrade.cz/kotoucovebrzdy/brzdove-desky/. [23] Zapalovací

svíčky

NGK

[HTML

dokument].

[cit.

2010-6-3].

Dostupný

z

http://www.svickyngk.cz/. [24] Mikro roboti proti nanostrojům [HTML dokument]. [cit. 2009-9-3]. Dostupný z www.vtm.cz/clanek/mikro-roboti-proti-nanostrojum. [25] Biomimicry: Biologically Inspired Engineering [HTML dokument]. [cit. 2009-7-28]. Dostupný

z

http://forum.skeptic.za.org/science-and-technology/biomimicry-

biologically-inspired-engineering/. [26] Hubálek, J., Adámek, M.. Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy. Studijní materiály Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, Vysoké učení technické v Brně, 2010. [27] Geoffrey Geoffrey, A.O., Manners, I., Sébastien, F.B. and Arsenault, A. Dream Nanomachines. Adv. Mater. 17, 2005, p. 3011-3018. DOI: 10.1002/adma.200501767 [28] Bhushan, B. Handbook of Nanotechnology. Springer - Verlag Berlin Heidelberg. 2004, 1221 p., ISBN 3-540-01218-4. [29] Nalwa, H.S. Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology. American Scientific Publisher. Vol. 3, 2004, 900 p., ISBN 1-58883-059-X. [30] Research report 2003. HTML dokument dostupný z http://www2.nano.physik.unimuenchen.de Nanotechnologie

89


[31] Wallner, E. et.al. Nanotechnology Applications in Future Automobiles

SAE

International™. Publisher 04/12/2010ISSN 0148-7191, 12 p. [32] Automotive Applications for Nanomaterials – Supplier Data by Strem Chemicals. [HTML

dokument].

[cit.

Dostupný

2009-9-3].

z

http://www.azonano.com/details.asp?ArticleID=1328. [33] Drobný, J.G. Automotive applications of thermoplastic elastomers. Chem. Listy 101, 2007, s. 1-72. [34] Garcs, J.M., Moll, D.J., Bicerano, J., Fibiger, R. and McLeod, D.G. Polymeric Nanocomposites for Automotive Applications. Adv. Mater. 2000, 12, No. 23, p.18351839. [35] Mlčoch, A. Materiálové technologie. Chem. Listy 104, 2010, s. 261-262. [36] Bumbálek, L.; Bumbálke, B.Pokrokové trendy v hodnocení textury povrchu [HTML dokument].

[cit.

Dostupné

2008-11-30].

z

http://gps.fme.vutbr.cz/STAH_INFO/44_Bumbalek_VUTBR.pdf. [37] Berger, M.: Self-healing nanotechnology anticorrosion coatings as alternative to toxic chromium

[HTML

dokument].

[cit.

Dostupné

2008-11-30].

z

http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=6555.php. [38] Nanotechnology Wholesale Auto Products [HTML dokument]. [cit. 2008-11-30]. Dostupné z http://nanotechnology.e-spaces.com/automotive_car.html. [39] Posts Tagged nanotechnology in cars, Nanotechnology in Cars: Drive of the Future. [HTML

dokument].

[cit.

2010-4-20].

Dostupné

z

http://nanogloss.com/tag/nanotechnology-in-cars/ [40] Nové trendy v lakování vozidel. Autoexpert [HTML dokument]. [cit. 2009-11-25]. Dostupné z http://www.servind.cz. [41] Nanotechnologie a povrchové inţenýrství. MM Průmyslové spectrum: Servis / Veletrhy a

výstavy

[HTML

dokument][cit.

2009-11-29]

Dostupný

z

http://www.mmspektrum.com/clanek/nanotechnologie-a-povrchove-inzenyrstvi. [42] [HTML dokument]. [cit. 2008-11-30]. Dostupné z http://www.nanoauto.narod.ru/. [43] Chrysler, D. Nanotechnologie v automobilovém průmyslu. MM Průmyslové spektrum: Trendy / Povrchové úpravy [HTML dokument] [cit. 2009-11-26]. Dostupný z http://www.mmspektrum.com/clanek/nanotechnologie-v-automobilovem-prumyslu. [44] Vlčková,E. Nanočástice proti špíně. [HTML dokument] [cit. 2010-1-26]. Dostupný z www.ekonom.ihned.cz.

Nanotechnologie

90


[45] Jílek, M., Holubář, P., Cselle, T., Morstein, M.. Nová průmyslová technologie povlakování. Průmyslové spektrum, 4/2003, s. 48-49. [46] Nanotechnology Coating For Automotive Paint with Nanoparticles [HTML dokument] [cit.

Dostupný

2009-11-26].

z

http://nanotechnology.e-

spaces.com/automotive_paint.html. [47] Nano

For

Car

[HTML

dokument].

[cit.

2009-11-29].

Dostupný

z

http://www.nanoprotect.co.uk/nano-for-car.html. [48] Dinca, I., Manilou, V., Stefan, A., Stan, A. and Ilina, S.. National Institute for Aerospace ResearchDevelopment „Elie Carafoli“. Nanocomposites and

Nanotechnologies in

Aerospace Reserch. 2009, 20 p. [49] Sůra, J. Dreamliner po testovacím letu úspěšně přistál, zkoušku zkrátil déšt. [HTML dokument]. [cit. 2009-15-12]. Dostupné z http://ekonomika.idnes.cz. [50] Obieta, I.; Marcos, J. Nanomaterials: Opportunities and Challenges for Aerospace. In Nanomaterials Technology for Military Vehikle Structural Applications (pp. 5-1 – 5-10). Meeting

Proceedings

RTO-MP-AVT-122,

France,

2005.

Available

from:

http://www.rto.nato.int/abstracts.asp. [51] Schweitz, B., Kostelecký, T. (20. 06. 2003) Budoucnost z atomů. 21. století, měsíčník. Dostupný z www.21stoleti.cz/view.php?cisloclanku=2003062018. [52] Kapoun, J. Medicína v rozměrech nanometru. Internetový časopis [citace 28.5.2004]. Dostupný z http://www.scienceworld.cz. [53] Nanomotor. From Wikipedia, the free encyclopedia http://www.nanotech-now.com/ucbrelease-07232003.htm [54] World's First Thermal Nanomotor Propelled By Changes In Temperature [HTML dokument].

[cit.

2008-11-30].

Dostupné

z

http://www.sciencedaily.com/releases/2008/04/080415114510.htm. [55] DFJ's NanoCar - See the Future [HTML dokument]. [cit. 2008-11-30]. Dostupné z http://www.dfj.com/nanocar/nanoimages.html. [56] Connelly, R. Nanocars Are Cooler Than Ever. [HTML dokument]. [cit. 2008-11-30]. Dostupné z http://blogs.houstonpress.com/hairballs. [57] Auto, které zaparkuje ve vlasu.Panorama 21. století, 02, 2010. s.3. [58] Shape-Shifting Robot Nanotech Swarms on Mars [HTML dokument]. [cit. 2009-12-5]. Dostupné z http://www.nasa.gov/vision/universe/roboticexplorers/ants.html.

Nanotechnologie

91


Kapitola 2 [1]

Alternativní

paliva

[HTML

dokument].

[cit.

2010-03-29].

Dostupné

z

http://www.ehow.com/how_2075743_invest-alternative-fuels.html. [2]

Řepka

olejka

[HTML

dokument].

[cit.

2010-03-29].

Dostupné

z

www.aros.cz/cs/osiva/repka-ozima. [3]

Montero, J. M.; Brown, D. R.; Gai, P. L.; Lee, A. F.; Wilson, K. In situ studies of structure-reactivity relations in biodiesel synthesis over nanocrystalline MgO. Chemical Engineering Journal. 2010, in press.

[4]

Boz, N.; Degirmensabi, N.; Kalyon, D. M. Conversion of biomass to fuel: Transesterification of vegetable oil to biodiesel using KF loaded nano--Al2O3 as catalyst. Appl. Catal. B: Environ. 2009, 89, s. 590-596.

[5]

Wenlei, X.; Ning, M. Enzymatic transesterification of soybean oil by using immobilized lipase on magnetic nano-particles. Biomass and Bioenergy. 2010, in press.

[6]

Sato, K.; Aoki, K.; Sugimoto, K.; Izumi, K.; Inoue, S.; Saito, J.; Ikeda, S.; Nakane, T. Dehydrating performance of commercial LTA zeolite membranes and application to fuel grade bio-ethanol production by hybrid distillation/vapor permeation process. Microporous and Mesoporous Materials. 2008, 115, s. 184-188.

[7]

Kukuřice – zdroj pro výrobu bioethanolu [HTML dokument]. [cit. 2010-04-09]. Dostupné z http://autofilia.blog.hu/2010/01/21/kutravalo.

[8]

Bioplyn [HTML dokument]. [cit. 2010-04-13]. Dostupné z http://auto.sme.sk.

[9]

Bi-palivový systém (CNG, bioplyn) Volvo S80 [HTML dokument]. [cit. 2010-04-22]. Dostupné z http://www.greencarcongress.com/2004/10/volvo_bifuel_s8.html.

[10] Čerpací

stanice

LPG

[HTML

dokument].

[cit.

2010-04-22].

Dostupné

z

http://www.pneucentrumgaba.cz/%C4%8Derpaci_stanice_lpg.html. [11] Baruwati, B.; Kumar, D. K.; Manorama, S. V. Hydrothermal synthesis of highly crystalline ZnO nanoparticles: A competitive sensor for LPG and EtOH. Sensors and Actuators B: Chemical. 2006, 119, s. 676-682. [12] Haridas, D.; Sreenivas, K.; Gupta, V. Improved response characteristics of SnO2 thin film loaded with nanoscale catalysts for LPG detection. Sensors and Actuators B: Chemical. 2008, 133, s. 270-275. [13] Waghulade, R. B.; Patil, P. P.; Pasricha, R. Synthesis and LPG sensing properties of nano-sized cadmium oxide. Talanta. 2007, 72, s. 594-599.

Nanotechnologie

92


[14] Zkáza vzducholodi Hindenburg [HTML dokument]. [cit. 2010-04-28]. Dostupné z http://www.baminvestor.com/blog/2009/10/bam-crash-update-do-we-need-to-see-ahindenberg-omen/. [15] Model auta na vodíkový pohon [HTML dokument]. [cit. 2010-04-28] Dostupné z http://www.hydrogencarkit.net/BuyHydrogenCarKit/. [16] Gadhe, J. B.; Gupta, R. B. Hydrogen production by methanol reforming in supercriticalwater: Catalysis by in-situ-generated copper nanoparticles. International Journal of Hydrogen Energy. 2007, 32, s. 2374-2381. [17] Yong, S. T.; Hidajat, K.; Kawi, S. Reaction study of auto thermal steam reforming of metanol to hydrogen using a novel nano CuZnAl-catalyst. Journal of Power Sources. 2004, 131, s. 91-95. [18] Machocki, A.; Denic, A.; Grzegorczyk, W.; Gac, W. Nano- and micro-powder of zirconia and ceria-supported cobalt catalysts for the steam reforming of bio-ethanol. Applied Surface Science. 2010, in press. [19] Zhu, J.; Zäch, M. Nanostructured materials for photocatalytic hydrogen production. Current Opinion in Colloid and Interface Science. 2009, 14, s. 260-269. [20] Zhang, Y.; Shen, J. Enhancement effect of gold nanoparticles on biohydrogen production from artificialwastewater. International Journal of Hydrogen Energy. 2007, 32, s. 17-23. [21] Moulin, E.; Sukmanowski, J.; Schulte, M.; Gordijn, A.; Royer, F. X.; Stiebig, H. Thinfilm silicon solar cells with integrated silver nanoparticles. Thin Solid Films. 2008, 516, s. 6813-6817. [22] Solární

automobil

[HTML

dokument].

[cit.

2010-04-30].

Dostupné

z

http://dvice.com/archives/2008/06/antro_solo_hybr.php. [23] Pavasupree, S.; Ngamsinlapasathian, S.; Nakajima, M.; Suzuki, Y.; Yoshikawa, S. Synthesis, characterization, photocatalytic activity and dye-sensitized solar cell performance of nanorods/nanoparticles TiO2 with mesoporous structure. Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry. 2006, 184, s. 163-169. [24] Suliman, A. L.; Tang, Y.; Xu, L. Preparation of ZnO nanoparticles and nanosheets and their application to dye-sensitized solar cells. Solar Energy Materials and Solar Cells. 2007, 91, s. 1658-1662.

Nanotechnologie

93


Kapitola 3 [1]

LIFE and Energy: Innovative solutions for sustainable and efficient energy in Europe, European Communities, 2007, ISBN 978-92-79-04969-9.

[2]

Motlík J., Šamánek L., Štekl J., Pařízek T., Bébar L., Lisý M., Pavlas M., Bařinka R., Klimek P., Knápek J., Vašíček J. Obnovitelné zdroje energie a moţnosti jejich uplatnění v ČR, ČEZ, a. s., Duhová 2/1444, Praha, v roce 2007.

[3]

Fotovolaika pro kaţdého [HTML dokument]. [cit. 2009-11-24]. Dostupný z http://www.czrea.org/cs/druhy-oze/fotovoltaika.html.

[4]

PV technologies: Cells and Moduls [HTML dokument]. [cit. 2009-11-25]. Dostupný z http://www.epia.org/solar-pv/pv-technologies-cells-and-modules.html

[5]

Markvart T. Solar electricity, Sekond edition. John Wiley & Sons, LTD, March 2004, ISBN 0-471-98853-7.

[6]

B. Bechník, Historie a perspektivy OZE: fotovoltaika, méně rozšířené technologie [HTML

dokument].

[cit.

2010-3-31].

Dostupný

z

http://energie.tzb-

info.cz/t.py?t=2&i=5517.html. [7]

Benda, V. Fotovoltaické články z krystalického křemíku – současné trendy. Sborník 3. česká fotovoltaická konference, Brno, 2008, s. 20-24, ISBN 978-80-254-3528-1.

[8]

Vaněček M, Fotovoltaika - jaká je nejlepší dostupná technologie? [HTML dokument]. [cit.

2010-3-31].

Dostupný

z

http://www.tzb-

info.cz/t.py?t=2&i=6327&h=13&pl=49.html. [9]

[HTML

dokument].

[cit.

2010-4-10].

Dostupný

z

http://www.schottsolar.com/global/products/photovoltaics/schott-asi-100.html. [10] A. Shah, H. Schade, M. Vaněček, J. Meier, E. Vallat-Sauvain, N. Wyrsch, U. Kroll, C. Droz, J. Bailat, Thin-film Silicon Solar Cell Technology, Progress in Photovoltaics: Research and Applications 12 (2004) p.113-142. [11] J. Muller, B. Rech, J. Špringer, M. Vaněček, TCO and light trapping in silicon thin film solar cells, Solar Energy 77 (2004) p. 917-930. [12] Energy Conversion DevicesTechnology Roadmap [HTML dokument]. [cit. 2010-6-1]. Dostupný z http://www.uni-solar.com/. [13] R.R. King, D.C. Law et al, Pathways to 40% efficient concentrator photovoltaics, Proc. 20 European Photovoltaic Solar Energy Conference, 6-10 June 2005, Barcelona, Spain, p. 118-123.

Nanotechnologie

94


[14] R. Mc Connell, M. Symko-Davies, High-performance PV future: III-V multijunction concentrators, Proc. 20 European Photovoltaic Solar Energy Conference, 6-10 June 2005, Barcelona, Spain, p. 26-29 [15] M. Green, E.C. Cho et al, All-silicon tandem cells based on „artificial“ semiconductor synthesed using silicon quantum dots in a dielectric matrix, Proc. 20 European Photovoltaics Solar Energy Conference, 6-10. June 2005, Barcelona, Spain, p. 3-7. [16] E.Ch. Cho, M. Green, J. Xia, R. Corkish, P. Reece, M. Gal, Clear quantum confined luminescence from crystalline silicon/SiO2 single quantum wells, Applied Physics Letters 84 (2004) 2286-8. [17] [HTML

dokument].

[cit.

2010-4-13].

Dostupný

z

http://www.konarka.com/index.php/technology/papers-and-publications.html. [18] Pfleger J., Podhájecká K., Dammer O. Polymerní nanokompozity pro fotovoltaické články. Sborník 3. česká fotovoltaická konference, Brno, 2008, s. 50-55, ISBN 978-80254-3528-1. [19] K. Ravindranathan Thampi, P. Liska, et al, Recent advances in dye sensitized solar cells, Proc. 20 European Photovoltaic Solar Energy Conference, 6-10 June 2005, Barcelona, Spain, strana 55-58 [20] [HTML

dokument].

[cit.

2010-4-10.

Dostupný

z

http://www.dyesol.com/page/Technology.html. [21] Klusot P., Drobek M., Bartková M., Budil I. Chemické listy 101, 2007, s. 262-272. [22] Kučera M., Trunkvalter M., Kučera S. Aplikácia fotovoltaických článkov pre osobný hybridný elektromobil kategórie M1. Sborník 3. česká fotovoltaická konference, Brno, 2008, s. 20-24, ISBN 978-80-254-3528-1. [23] Toyota Prius se solární střechou [HTML dokument]. [cit. 2010-4-13]. Dostupný z http://www.hybrid.cz/novinky/toyota-prius-se-solarni-strechou#comments.html. [24] Solar Racer SolarWorld No.1 to Race in Australia [HTML dokument]. [cit. 2009-12-2]. Dostupný z http://www.solarworld.de/4204.html. [25] [HTML dokument]. [cit. 2009-14-2]. Dostupný z http://www.worldsolarchallenge.org. [26] M. Adamík, Solární auta: Je solární energie dostatečná? [HTML dokument]. [cit. 20103-16].

Dostupný

z

http://www.nazeleno.cz/technologie-1/hybridy-a-elektromobily-

1/solarni-auta-je-solarni-energie-dostatecna.aspx. [27] [HTML dokument]. [cit. 2010-3-20]. Dostupný z http://pvcdrom.pveducation.org. [28] Vetter M., Schwunk S., Merten J, Barruel F., Wiss O, Electric Mobility and Photovoltaic – The Low Voltage Grid On The Way To Energy Autonomy? Proc. 24 European Nanotechnologie

95


Photovoltaic Solar Energy Conference, 21- 25 September 2009, Hamburg, Germany, p. 118-123. [29] Mercedes-Benz and ACCIONA team up for renewable energy pilot [HTML dokument]. [cit. 2010-05-28]. Dostupný z http://www.energyharvestingjournal.com [30] Anupam, 11 charging stations designed to refuel EVs with renewable energy, [HTML dokument]. [cit. 2010-05-01]. Dostupný z http://www.ecofriend.org/entry/11-chargingstations-designed-to-refuel-evs-with-renewable-energy/. [31] Silnice, které generují elektřinu [HTML dokument]. [cit. 2010-4-28]. Dostupný z http://www.hybrid.cz/tagy/solarni-clanky.html. [32] Průmyslové

aplikace

[HTML

dokument].

[cit.

Dostupný

2009-11-25].

z

www.solartec.cz/cs/reference/prumysl.html. [33] Solar-Power Research and Dryden [HTML dokument]. [cit. 2010-19-5]. Dostupný z http://www.nasa.gov/centers/dryden/news/FactSheets/FS-054-DFRC.html. [34] Solar-powered Gossamer Penguin in flight. Photo Number: ECN-13413. [HTML dokument].

[cit.

Dostupný

2010-1-20].

z

http://www.dfrc.nasa.gov/Gallery/Photo/Albatross/HTML/ECN-13413.html. [35] Zephyr® - Unmanned Aerial Vehicle (UAV) [HTML dokument]. [cit. 2010-2-9]. Dostupný z http://www.qinetiq.com/home/products/zephyr.html. [36] Odysseus Solar-Powered Aircraft. [HTML dokument]. [cit. 2010-2-9]. Dostupný z http://www.aurora.aero/AdvancedConcepts/Odysseus.aspx. [37] Sun

Light

Eagle

[HTML

dokument].

[cit.

2010-2-9].

Dostupný

z

http://www.aurora.aero/AdvancedConcepts/SLE.aspx. [38] [HTML dokument]. [cit. 2010-2-3]. Dostupný z http://www.solarimpulse.com/. [39] SOLVAY: Main partner of Solar Impulse. [HTML dokument]. [cit. 2009-12-21]. Dostupný z http://www.solvay.com/strategynew/solarimpulse/0,,44242-2-0,00.htm#2 [40] [HTML document], [cit. 2010-4-28]. Dostupný z http://www.solar-flight.com. [41] Španělé chtějí stavět transatlantické vzducholodě [HTML dokument]. [cit. 2010-4-28]. Dostupný z http://www.hybrid.cz/novinky/spanele-chteji-stavet-transatlanticke-solarnivzducholode#comments.html. [42] Kiml, M. W. Solárně na zemi, na vodě, i ve vzduchu [HTML dokument]. [cit. 2010-517]. Dostupný z http://www.vtm.cz/clanek/solarne-na-zemi-na-vode-i-ve-vzduchu.html. [43] Horčík J., Amerika plánuje solární rychlodráhu, [HTML dokument]. [cit. 2009-28-11]. Dostupný z http://www.hybrid.cz/novinky/amerika-planuje-solarni-rychlodrahu.html.

Nanotechnologie

96


[44] Solární loď chce přeplout Atlantik [HTML dokument]. [cit. 2010-4-28]. Dostupný z http://www.hybrid.cz/tagy/elektrolod.html. [45] [HTML dokument]. [cit. 2010-2-20]. Dostupný z http://www.planetsolar.org. [46] David Kříţek znovu přes Atlantik [HTML dokument]. [cit. 2009-12-21]. Dostupný z http://www.solartec.cz/news/23/431/David-Krizek-znovu-pres-Atlantik.html. [47] P. Rapant, Druţicové polohové systémy, VŠB-TU Ostrava, Ostrava, 2002, ISBN 80248-0124-8. [48] M. Müller, O GPS všeobecně [HTML dokument]. [cit. 2010-2-19]. Dostupný z http://pc-muller.cz/gps_souradnice/index.php?clanek=1.html. [49] Vanguard 1, NSSDC ID: 1958-002B, [HTML dokument]. [cit. 2010-2-19]. Dostupný z http://nssdc.gsfc.nasa.gov/nmc/spacecraftDisplay.do?id=1958-002B. [50] Global Positioning Systém [HTML dokument]. [cit. 2010-2-19]. Dostupný z http://nssdc.gsfc.nasa.gov/nmc/spacecraftDisplay.do?id=1958-002B.

Nanotechnologie

97


Kapitola 4 [1]

Publikace Evropské komise Key Figures 2003-2004, 2003-2004, str. 44. Dostupný http://ec.europa.eu/nanotechnology/pdf/nano_com_cs.pdf, [cit. 2010-4-10].

[2]

Prnka, T., Šperlink, K. Šestý rámcový program evropského výzkumu a technického rozvoje Nanotechnologie, Komise evropských společenství, sdělení komise radě, Na cestě k evropské strategii Nanotechnologie, Repronis Ostrava, ISBN 80-7329-070-7.

[3]

Dokument Komise evropských společenství, SDĚLENÍ KOMISE EVROPSKÉMU PARLAMENTU, RADĚ, EVROPSKÉMU HOSPODÁŘSKÉMU A SOCIÁLNÍMU VÝBORU A VÝBORU REGIONŮ KOM (2009) 512 s. Dostupný z http://www.portalvz.cz/CMSPages/GetFile.aspx?guid=9ba02fd2-4926-4a2d-8a91-ff867081dc4a>,

[cit.

2010-4-10]. [4]

Projekt EFTRANS-zpracování analýzy B, Analýza systému komercializace výzkumu USA. Dostupný z http://ipn.msmt.cz, [cit. 2010-4-12].

[5]

[HTML document], dostupný z www.tacr.cz, [cit. 2010-03-29].

[6]

[HTML document], dostupný z www.fp7.cz, [cit. 2010-5-12].

[7]

[HTML document], dostupný z www.gacr.cz, [cit. 2010-6-9].

[8]

[HTML document], dostupný z www.gaav.cz/cs/index.html, [cit. 2010-6-14].

Nanotechnologie

98


Garant:

Karla Barabaszová

Název:

Nanotechnologie

Místo, rok vydání:

Brno, 2010

Počet stran:

98

Vydalo:

AKADEMICKÉ NAKLADATELSTVÍ CERM, s. r. o. Brno

Tisk:

FINAL TISK s. r. o. Olomučany

Náklad:

25 ks

Vydání:

první

Neprodejné

ISBN 978-80-7204-713-0

CN5  

Nanotechnologie INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Recenzenti: Ing. Věra Valovičová, Ph.D. Ing. Monika Šupová, Ph.D. Realizační skupina: © Karl...

Read more
Read more
Similar to
Popular now
Just for you