Elektrické pohony se prosazují nejen na zemi, ale už i na mořích a v oceánech. Důkazem toho je hybridní, částečně výzkumná, částečně výletní loď Le Commandant Charcot, která jako první plavidlo svého druhu doplula na počátku září až na severní pól. Dokončila tím poslední provozní zkoušky a příští rok již bude plně připravena na první ostrou plavbu s pasažéry.

Nová luxusní expedičně-výletní loď je vybavena pohonem s označením Azipod od společnosti ABB, který výrazně minimalizuje hluk a vibrace, takže cestující si mohou užívat maximálního pohodlí. Plavidlo se ale může pochlubit i systémem pro ukládání energie, který je největší, jaký kdy plavidlo tohoto druhu mělo – jeho kapacita je téměř 5 MWh.

I pro vědecké účely

Loď Le Commandant Charcot bude moci díky jejímu vybavení využívat i vědecká komunita, která se zaměří zvláště na výzkum toho, jak chránit oceány a zvláště vody okolo zemských pólů. Plavidlo je vybaveno měřicími přístroji, vědeckými laboratořemi a má i tzv. moon pool, tedy jakýsi bazén uprostřed lodi, umožňující vstup pod hladinu moře. Veškeré vybavení lodi je zkrátka navrženo tak, aby splňovalo ty nejnáročnější požadavky akademického výzkumu.

„Společnost ABB navrhla pohonné jednotky Azipod i systém skladování energie tak, aby zcela přesně vyhovovaly provozním nárokům plavidla Le Commandant Charcot,“ uvedl Mathieu Petiteau, ředitel pro výzkum a vývoj ve francouzské společnosti Ponant, která je provozovatelem luxusních výletních lodí. „Kromě toho, že je tímto způsobem zajištěn vysoký komfort pro cestující, je plavidlo schopno bezemisní plavby i v náročných podmínkách kolem zemských pólů,“ dodal. Právě díky poměrně snadné ovladatelnosti systému Azipod, který v současné době využívá na celém světě zhruba 90 plavidel, dokáže loď proplouvat zamrzlými vodami hladce a bezpečně.

K přednostem tohoto elektrického motoru umístěného mimo trup lodi patří i to, že se může otáčet až o 360 stupňů, což výrazně zlepšuje manévrovatelnost plavidla a snižuje spotřebu paliva až o 20 procent ve srovnání s konvenčními hřídelovými systémy. Uvádí se, že od svého uvedení na trh před 30 lety pohon Azipod ušetřil jen v segmentu osobních plaveb celkem více než 1 000 000 tun paliva.

Le Commandant Charcot je také první výletní lodí, která je schopna plout ve dvojím režimu, tedy že na nezamrzlém otevřeném moři pluje přídí napřed a v těžko prostupném ledu má naopak napřed záď. Lodní šroub pak frézuje podvodní část ledu a otevírá lodi dráhu. Tato schopnost umožňuje lodím plavit se v mořích pokrytých souvislým ledem bez asistence ledoborce a i při zachování relativně slušné rychlosti a také při nižší spotřebě energie.

„Plavidla s úsporným pohonem Azipod mohou vytvářet dráhy v ledu otevřenější než konvenční ledoborce s hřídelovým pohonem, takže pokud pluje více lodí za sebou, spotřebují výrazně méně paliva. Pohon Azipod, který do moře nevypouští žádné znečišťující látky, tak za sebou nezanechává opravdu nic jiného než otevřenou vodu,“ podotýká Sakari Sorsimo, který má ve společnosti ABB na starost segment plavidel pohybujících se v ledovém příkrovu.

Další velkou výhodou systému Azipod je to, že umožňuje zastavit plavidlo za dobu o polovinu kratší, než to umožňují lodě s tradičním pohonem.

Finský nápad

Myšlenka řiditelné pohonné jednotky tohoto typu vznikla ve Finsku již v 70. letech minulého století, a to především z potřeby efektivně se vypořádat s lámáním ledu během plavby. Detailní ledové testy v loděnici Kvaerner Masa v Helsinkách pomohly inženýrům pochopit výhody, které by kromě ledoborců mohla tato technologie nabídnout i jiným plavidlům pohybujícím se v ledu.

V roce 1991 se první lodí poháněnou pohonem Azipod stalo servisní plavidlo Seili. O dva roky později byl tímto pohonem vybaven tanker Uikku. Díky svým pozoruhodným schopnostem lámat led se v roce 1997 stal prvním neruským obchodním plavidlem, které se plavilo po celé délce Severního moře.

Následoval další technický vývoj, který vyvrcholil velkým kontraktem v roce 2014. Tehdy ABB získala od ruské společnosti Yamal LNG objednávku na dodávku pohonných systémů pro flotilu 15 speciálních tankerů určených k celoroční přepravě zkapalněného zemního plynu (LNG).

Třistametrový Christophe de Margerie, první loď určená k přepravě LNG a zároveň schopná operovat v zamrzlých vodách, z flotily společností Sovcomflot, zaznamenala významný úspěch, když v roce 2017 plavbu Severním mořem zvládla zcela bez pomoci ledoborce. „Je nesporné, že k úspěšnému proplutí lodi výrazně přispěl pohon ABB Azipod, “ okomentoval událost Igor Tonkovidov, prezident a generální ředitel společnosti Sovcomflot, SCF Group.

Úspory stále na prvním místě

Ale vraťme se zpět k lodi Le Commandant Charcot. Vedle samotného pohonu dodala firma ABB tomuto průkopnickému plavidlu také technologii výroby a distribuce energie, systémy řízení pohonu a dálkového ovládání a systém řízení energie (PEMS). Prostřednictvím PEMS bude Le Commandant Charcot moci optimalizovat využívání svého hybridního zdroje energie, zahrnujícího hlavní, elektrický zdroj energie, zkapalněný zemní plyn a systém skladování energie, tak, aby bylo zajištěno optimální zatížení motoru a zároveň byla minimalizována spotřeba paliva a tvorba emisí. Loď je také vybavena dvoustupňovým řešením turbodmychadla ABB Power2, které dále zvyšuje úsporu paliva až o pět procent.

„S tímto vysoce výkonným plavidlem vybaveným integrovanou technologií pohonu rozšiřujeme naše portfolio ekologických plavidel. Le Commandant Charcot dokonale demonstruje výhody našich elektrických, digitálních a integrovaných řešení pro tento druh lodí a nastiňuje další vývoj podobných plavidel,“ shrnul Juha Koskela, prezident divize Marine & Ports společnosti ABB.

Lidské rozhodovací procesy mají hierarchickou architekturu. Tvoří ji několik úrovní uvažování a strategických plánování, které probíhají s paralelním zřetelem k dosažení krátkodobých i dlouhodobých cílů. V posledních zhruba deseti letech se celá řada počítačových vědců pokoušela vyvinout výpočetní nástroje a techniky, které by lidské rozhodovací procesy dokázaly co nejvěrněji napodobit. To by výrazně zkvalitnilo rozhodování autonomních robotů a vozidel. Jejich provoz by se tak dostal na mnohem vyšší bezpečnostní úroveň.

Vědcům z Honda Research Institute USA, Honda R&D a Kalifornské univerzity v Berkeley se nedávno podařilo sestavit speciální datovou sadu, nazvanou LOKI (LOng Term and Key Intentions), jež by měla sloužit k trénování umělé inteligence umožňující předpovídání trajektorií chodců a vozidel v dopravním provozu. Základem tohoto datasetu, který bude oficiálně představen na říjnové International Conference on Computer Vision (ICCV 2021), jsou velmi pečlivě označkované obrázky různých tzv. agentů silničního provozu, například chodců, cyklistů či automobilů, vyskytujících se v ulicích a zachycených z perspektivy řidiče.

„Snažili jsme se co nejpřesněji popsat, resp. zdůvodnit jak dlouhodobé cíle jednotlivých agentů, tak i jejich krátkodobé záměry a na jejich základě předpovídat jejich budoucí trajektorie v rámci konkrétních dopravních situací,“ popsal základní myšlenku projektu Chiho Choi, jeden členů výzkumného týmu. Stačí si totiž vzít jako příklad obyčejné odbočení vlevo: při něm je třeba zahrnout do úvah nejen aktuální dynamiku agenta, ale také to, jak se jeho záměr průběžně mění v závislosti na mnoha doprovodných faktorech, včetně různých nenadálých sociálních interakcí či environmentálních omezení.

Roztřídit, označit

Jak na to tedy tým Hondy a vědců z Kalifornské univerzity šel? Nejprve si okódoval historii pohybu každého agenta. Na tomto základě pak navrhl rozdělení dlouhodobých cílů jednotlivých agentů. Tyto cíle byly poté předány do modulu společné interakce a predikce. Tam vznikl scénický graf, který již agentům umožnil informace o svých trajektoriích, záměrech a dlouhodobých cílech vzájemně sdílet. V každém okamžiku se přitom do grafu promítaly další a další informace o měnící se dopravní scéně. Scénu tedy bylo třeba nějak efektivně roztřídit.

Datová sada LOKI obsahuje tři specifické třídy štítků. První třídou jsou štítky záměrů, které predikují, jakým způsobem se agent rozhodne dosáhnout daného cíle. Druhou třídou jsou environmentální značky poskytující informace o okolním prostředí, které často rovněž velmi výrazně ovlivňuje záměry agentů (např. štítky typu „vjezd/výjezd na silnici“, „semafor“, „dopravní značka“, „informace o jízdním pruhu“ atd.). Třetí třídu tvoří kontextové štítky, což jsou informace, které by také mohly ovlivnit budoucí chování agentů, například informace týkající se počasí, stavu vozovky, pohlaví a věku chodců a podobně.

Lepší než ostatní

Datový soubor LOKI je podle výzkumného týmu první, který lze s vysokou mírou efektivity použít k porozumění záměrů heterogenních dopravních agentů, tedy jak osobních a nákladních vozidel, tak i jízdních kol nebo chodců. Vědci prověřili svůj predikční model sérií testů a zjistili, že svou přesností překonává jiné aktuálně používané metody predikce trajektorií až o 27 %. Rýsuje se tak naděje, že v dohledné době by tento model opravdu mohl přispět ke zvýšení bezpečnosti autonomních vozidel. Dataset LOKI by prý navíc mohl v budoucnu sloužit i jiným výzkumným týmům k trénování vlastních predikčních systémů.

„Momentálně je naším nejbližším cílem zevrubně prozkoumat oblast predikcí založených na rozpoznaných záměrech nejen pro trajektorie, ale také pro obecnější lidské pohyby a chování. Aktuálně pracujeme na rozšíření datové sady LOKI tímto směrem a věříme, že tato naše vysoce flexibilní datová sada povzbudí celou naši komunitu k dalšímu výzkumu prediktivních dovedností,“ dodal Chiho Choi.

Po třech letech intenzivního výzkumu a projektových prací se to podařilo: na počátku letošního září vědci z amerického Massachusettského technologického institutu (MIT) a startupové společnosti Commonwealth Fusion Systems (CFS) oznámili, že se jim povedlo uvést do provozu obrovský vysokoteplotní supravodivý elektromagnet o síle pole 20 tesla. Bylo tak vytvořeno nejsilnější umělé magnetické pole, jaké kdy na Zemi existovalo. Tento vědecký úspěch by měl přispět k pokroku ve snahách o vybudování fúzního jaderného reaktoru.

„Fúze je v mnoha ohledech tím nejzazším možným zdrojem čisté energie,“ řekla Maria Zuber, viceprezidentka pro výzkum na MIT a profesorka geofyziky: „Množství energie, které by bylo takto dostupné, by skutečně změnilo pravidla hry. Palivo potřebné k fúzní výrobě energie totiž pochází z vody a Země je plná vody – je to téměř neomezený zdroj,“ doplnila.

Vývoj magnetu, který by dokázal pohánět jadernou fúzi, je momentálně tou největší technologickou překážkou v uskutečňování tohoto plánu. Nyní ale lze věřit, že díky nové technologii magnetů je spolupráce MIT a CFS na dobré cestě k vybudování prvního fúzního zařízení na světě, které dokáže vytvářet a kontrolovat plazmu, jež vyprodukuje více energie, než spotřebuje. Zařízení nazvané SPARC by mělo být dokončeno v roce 2025.

„Výzvy při uskutečňování fúze jsou jak technické, tak vědecké,“ upozorňuje Dennis Whyte, ředitel Centra pro plazmu fúzi při MIT, které spolupracuje s CFS na vývoji technologie SPARC. Jakmile se však podaří doladit tuto technologii, bude to podle něj „nevyčerpatelný, bezuhlíkový zdroj energie, který můžete vybudovat kdekoli a kdykoli“.

Slunce v láhvi

Jaderná fúze je proces, který je „pohonem“ Slunce. V podstatě v něm jde o to, že sloučením dvou malých atomů vznikne atom větší a při tom se uvolní ohromné množství energie. Nastartování tohoto procesu však vyžaduje tak vysoké teploty, že jim nedokáže odolat téměř žádný pozemský pevný materiál. K vytvoření slunečního zdroje energie zde na Zemi je totiž nutné, aby substance dosáhla teploty 100 000 000 ⁰C nebo i více a aby byla zcela izolována od svého okolí.

Tohoto stavu lze dosáhnout pouze vytvořením velmi silných magnetických polí, které si lze představit jako jakousi neviditelnou láhev, jež obsahuje horkou vířící polévku protonů a elektronů, nazývanou plazma. Protože částice mají určitý elektrický náboj, je možné je ovládat magnetickým polem. Nejpoužívanější nádobou je v dnešní době zařízení ve tvaru donutu zvané tokamak. Většina těchto zařízení až dosud vytvářela svá magnetická pole pomocí konvenčních elektromagnetů vyrobených z mědi. Jeho nejnovější a největší verze, která momentálně vzniká ve Francii, bude používat nízkoteplotní supravodiče.

Hlavní inovací projektu je použití vysokoteplotních supravodičů, které umožňují vytvoření mnohem silnějšího magnetického pole v mnohem menším prostoru, než tomu bylo dosud. S konvenčními nízkoteplotními supravodivými magnety by odpovídajícího výkonu bylo možné dosáhnout v zařízení 40krát větším. Novou konstrukci magnetů umožnil zcela nový druh supravodivého materiálu – ocelová „páska“ potažená sloučeninou známou jako YBCO (yttrium-barium-copper oxide). Tato páska by měla přinést značné konstrukční zjednodušení, a tudíž i mnohem rychlejší stavbu fúzních zařízení. V důsledku by mohlo dojít k velmi výraznému snížení celkových nákladů na takovéto projekty.

Fúze na dosah

„Je to opravdu velký okamžik,“ uvedl Bob Mumgaard, generální ředitel CFS, a dodal: „Nyní máme v rukách platformu, která je díky desítkám let vědecké práce velmi vyspělá a je také velmi zajímavá komerčně. Díky ní budeme moci vytvářet fúzní zařízení rychleji, s menšími rozměry a s nižšími náklady.“

„Realizace supravodivého magnetu si vyžádala hodně práce, během níž jsme vyvinuli řadu jedinečných výrobních postupů a zařízení. Díky tomu jsme nyní dobře připraveni zahájit výrobu testovacího zařízení SPARC,“ řekla Joy Dunn, vedoucí provozu CFS, a upřesnila: „Začali jsme s fyzikálním modelem a návrhem v CAD. Následně jsme prošli mnoha vývojovými a prototypovými fázemi, abychom z pouhého návrhu vytvořili skutečný fyzický magnet.“ To si vyžádalo vybudování rozsáhlých výrobních kapacit a testovacích zařízení, včetně komplikací s dodavateli již zmíněné supravodivé pásky. Vědci přitom dlouho pracovali souběžně se dvěma koncepcemi magnetů. Ve své konečné podobě se magnet skládá z 16 desek, z nichž každá by sama o sobě byla nejsilnějším vysokoteplotním supravodivým magnetem na světě.

„Před třemi lety jsme oznámili plán vybudovat magnet o síle pole 20 tesla, který bude potřeba pro výstavbu budoucích fúzních zařízení. Tohoto cíle bylo nyní dosaženo, přesně podle plánu a pandemii navzdory,“ shrnul mimořádný vědecký úspěch Bob Mumgaard.  

Společnost E.DIS, jeden z německých provozovatelů elektrické rozvodné sítě, zahájila v polovině července zajímavý experiment: ve své rozvodné stanici v Altentreptow začala testovat možnost využití autonomních mobilních robotů k provádění kontrolních prohlídek těchto zařízení. E.DIS se ve spolupráci se start-upem Energy Robotics snaží autonomně pracující roboty, kteří jsou vybaveni vysoce citlivými senzory a měřicími systémy vycvičit k tomu, aby dokázali vykonávat velmi speciální a náročné úkoly, jejichž bezchybné plnění veřejnost od provozovatele elektrické sítě očekává.

V budoucnu by se tak díky robotům měla výrazně zkrátit délka kontrolních cyklů v rozvodně. Další velkou výhodou by mělo být to, že půjde provádět kontrolu stavu rozvodny i za nepříznivého počasí, například v silné bouři, z pohodlí kanceláře, tedy na dálku, což dále zvýší bezpečnost práce provozovatele sítě.

V právě probíhajícím projektu společnost E.DIS testuje typ robotů, který je zaměřen právě na automatizaci cyklicky se opakujících úkolů, jako je měření, resp. sběr naměřených hodnot. Cílem celého projektu je vytvořit takové inspekční řešení, které půjde jednoduše přizpůsobit libovolné lokalitě.

Jednou z výhod rozvodny, kterou si pro testování firma E.DIS vybrala, je to, že v ní je již nainstalována 5G mobilní síť. Tato okolnost by měla výrazně přispět k vysoké kvalitě přenosu naměřených dat. Dodejme však, že pro spolehlivý přenos zaznamenaných dat postačuje i stávající mobilní standard LTE.

Kromě toho jsou typ a technické parametry této rozvodny pro E.DIS velmi typické. Pokud tedy skončí pilotní fáze projektu úspěšně, firma předpokládá, že roboty nasadí do pravidelného provozu i v dalších svých rozvodnách v Braniborsku a Meklenbursku – Předním Pomořansku.

Kvalitnější kontrola, méně nebezpečí

„Firma E.DIS spustila tento pilotní projekt proto, aby mohla v budoucnu využívat k inspekci rozvoden digitální technologie a dlouhodobě z nich těžit,“ vysvětlil poměrně lapidárně hlavní záměr projektu Sven Mögling, manažer inovací ve společnosti E.DIS. O technologické náročnosti projektu podle něj svědčí to, že se na něm podílí i několik expertů zaměřených přímo na vývoj softwaru a hardwaru pro autonomní inspekční roboty. Tito roboti se dnes již používají například v odvětvích, jako je ropný a plynárenský průmysl, chemický průmysl nebo oblast energetiky. Cílem všech takovýchto robotických aplikací je, aby se lidé nedostávali do nebezpečného pracovního prostředí a zároveň aby se zvýšila kvalita a frekvence kontrol.

Hlavním partnerem projektu je ale společnost Energy Robotics. Ta patří k dnes již etablovaným vývojovým firmám specializujícím se na softwarová řešení pro mobilní kontrolní roboty v průmyslových aplikacích. Jedná se o start-up, který vznikl teprve nedávno, v roce 2019, jako spin-off na půdě Technické univerzity Darmstadt. E.DIS v něm našel skvělého partnera, který disponuje opravdu rozsáhlým know-how v oblasti vývoje a výroby speciálních operačních systémů pro měřicí roboty. Energy Robotics nabízí komerčně dostupnou softwarovou platformu, která v sobě spojuje hardwarově nezávislý operační systém robotického zařízení, cloudovou správu celého robotického parku a analýzu dat řízenou umělou inteligencí uzpůsobenou pro průmyslové aplikace.

Roboti pro širokou škálu využití

Marc Dassler, generální ředitel společnosti Energy Robotics, si spolupráci velmi pochvaluje: „Je to pro nás skvělá příležitost znovu dokázat, že naše kontrolní roboty lze použít v mnoha různých průmyslových odvětvích. Kontroly můžete provádět ve vysoce rizikových oblastech, jako je ropný a plynárenský průmysl, systémy pro tepelné čištění odpadního vzduchu nebo elektrárenské rozvodny – možnosti použití jsou opravdu různorodé a lze je přizpůsobit různým požadavkům klienta.“

Společnost E.DIS si od projektu slibuje především to, že díky němu získá řadu nových poznatků, například o průběhu automatizovaného načítání údajů z analogových měřicích přístrojů. Kromě toho by měl projekt zkvalitnit i kontrolu takových základních bezpečnostních opatření, jako oplocení rozvodny či uzamčení všech jejích bran a dveří. K vyšší kvalitě kontrol by nemalou měrou měly přispět kamerové systémy nainstalované na robotech. Ty by měly umožnit vytváření podrobných 3D map celé lokality rozvodny. Kromě testování vlastního záznamu a ukládání takovýchto informací je cílem projektu také prověření možností jejich přenosu prostřednictvím mobilní sítě.

Sven Mögling však zdůrazňuje, že toto vše se již v Altentreptow v zásadě podařilo v rámci pilotního projektu úspěšně otestovat. „Stále však máme před sebou několik cílů. Jsme například zvědaví, jak měnící se povětrnostní podmínky, například bouřky a silný déšť, mohou spolehlivost záznamu a přenosu dat ovlivnit,“ dodal. Právě to se podle něj bude v následujících týdnech a měsících intenzivně zkoumat.

Společnost E.DIS předpokládá, že testovací fáze včetně dalšího průběžného vývoje této technologie bude trvat až do konce letošního roku.

Boj za snižování množství oxidu uhličitého v atmosféře se dnes vede na mnoha frontách. Na další možný způsob, jak se zapojit do tohoto snažení, a přitom být i určitým způsobem produktivní, přišli vědci z německého Fraunhoferova ústavu IGB. Začali tento skleníkový plyn používat jako surovinu při výrobě plastů. Postup je následující: z oxidu uhličitého nejprve vyrobí metanol a kyselinu mravenčí, které následně prostřednictvím kontrolovaného působení mikroorganismů přemění na stavební bloky pro tvorbu polymerů. Na průmyslové využití této metody si však budeme muset ještě nějaký čas počkat, vědci totiž odhadují, že do praxe tato technologie může proniknout až za zhruba 10 let.

Podle odborných údajů dosáhla koncentrace CO2 v zemské atmosféře již přibližně 400 částic na jeden milion (ppm), což odpovídá 0,04 procenta. Pro srovnání: ještě v polovině 19. století se tato hodnota pohybovala kolem 280 ppm. Emise CO2 ze spalování fosilních paliv proto mají od počátku letošního roku „svoji cenu“ – výrobní společnosti od té doby musejí za své emise CO2 platit. Mnoho firem proto hledá způsoby, jak se těmto poplatkům vyhnout nebo je minimalizovat. Některé firmy si ale začaly klást i otázky typu: Jak můžeme snížit emise CO2 pomocí tzv. biologicky inteligentních procesů?

Zkusme to s biotechnologiemi

V současné době se výzkumům v tomto směru velmi intenzivně věnují vědci z německého Fraunhoferova ústavu pro mezifaciální a bioprocesní technologie (Fraunhofer-Institut IGB) v rámci projektů EVOBIO a ShaPID. Jedná se o technologicky velmi náročné projekty, proto na nich spolupracuje i několik dalších Fraunhoferových ústavů. „Oxid uhličitý používáme jako základní surovinu,“ říká Jonathan Fabarius, vedoucí výzkumu mikrobiální katalýzy na Fraunhofer IGB. „Postupujeme dvěma směry: jedním z nich je heterogenní chemická katalýza, při které pomocí katalyzátoru přeměňujeme CO2 na metanol. Druhým je elektrochemie, s jejíž pomocí vyrábíme z CO2 kyselinu mravenčí,“ popisuje dále.

Unikátnost tohoto výzkumu však nespočívá pouze v produkci metanolu a kyseliny mravenčí na bázi CO2, ale především v jejich kombinaci s biotechnologiemi, přesněji řečeno s fermentací za pomoci mikroorganismů. Zjednodušeně lze říci, že vědci nejprve z CO2 vyrábějí metanol a kyselinu mravenčí a ty pak používají jako „krmivo“ pro mikroorganismy, které pomáhají s výrobou dalších, komplexnějších produktů.

Příkladem takového produktu jsou organické kyseliny, které se používají jako stavební bloky při výrobě polymerů. Tímto způsobem by tedy bylo možné vyrábět plasty na bázi CO2. Bylo by tak ale možné vyrábět i aminokyseliny, například jako potravinové doplňky nebo krmivo pro zvířata.

Mnoho výhod

A jak vlastně tyto mikroorganismy „pracují“? A jak lze vlastně to, co produkují, ovlivňovat? „V zásadě používáme metabolismus mikroorganismu k řízení výroby požadovaných produktů. Do mikrobů vložíme geny, které dodají plán pro tvorbu konkrétních enzymů. Celý tento proces se nazývá metabolické inženýrství. Enzymy, které pak v mikroorganismu vznikají, katalyzují výrobu určitého produktu. Geny, které by tento proces mohly negativně ovlivnit, dokážeme cíleně vypínat. Tímto řízeným střídáním genů můžeme vyrábět širokou škálu produktů,“ popisuje Jonathan Fabarius.

Tento nový postup nabízí řadu výhod. Vedle toho, že tak lze vytvářet zcela nové produkty, je možné jím také zlepšit stopu CO2 již zavedeným produktům. Zatímco konvenční chemické procesy vyžadují mnoho energie a někdy i použití toxických rozpouštědel, s pomocí mikroorganismů lze vyrábět za mnohem méně drastických a energeticky účinnějších podmínek, mikrobi se totiž dokážou množit v ekologicky čistých vodných roztocích.

Celý tento výzkum je zajímavý také tím, že vědci při něm používají nejen nativní metylotrofní bakterie, tedy ty, které přirozeně zpracovávají metanol, ale dokážou pracovat i s kvasinkami, které metanol metabolizovat nedokážou. Souběžně se svým výzkumem také po očku neustále sledují, zda věda neobjevila nějaké nové zajímavé mikroorganismy, které by mohli zapojit do výstavby svých malých „buněčných továren“.

Výzkumný tým Fraunhoferova ústavu nyní rozpracovává celý výrobní řetězec: počínaje kultivací mikroorganismů přes genové modifikace až po možnosti škálování produkce. I když jsou některé výrobní etapy stále pouze v čistě laboratorní fázi, jiné již jsou dále a byly při nich již nasazeny i první bioreaktory.

Pokud jde o průmyslové využití celé této nové technologie, vědci očekávají, že k němu dojde ve střednědobém až dlouhodobém horizontu – zhruba za deset let. Tlak na průmyslový sektor, aby zaváděl progresivní ekologické výrobní procesy, jako je tento, však neustále roste.

Lithium-iontové baterie mají v oblasti elektromobility či skladování energie v rámci distribučních sítí zcela nezastupitelnou roli. Avšak materiály, které se v současné době k jejich výrobě používají, mají stále řadu nedostatků, a to jak z hlediska výkonu, tak i z hlediska bezpečnosti. Zejména výzkum a vývoj nových forem elektrolytu proto aktuálně představuje pro vědce v řadě zemí zcela zásadní výzvu.

Na australské School of Chemistry při Monash University se v nedávné době podařilo skupině vědců pod vedením profesora Douga MacFarlanea ve spolupráci s komerční společností Calix vyvinout nové chemické řešení, které by mohlo výkonnost i bezpečnost li-ion baterií posunout o značný kus vpřed. V rámci výzkumu, jehož výsledky nedávno uveřejnili v časopise Advanced Energy Materials, tito chemici popisují vývoj nové soli lithia, která by mohla překonat stávající problémy s elektrolytem a nahradit hexafluorfosfátovou sůl, která se nyní v bateriích běžně používá.

Jak známo, s li-ion bateriemi je spojeno jisté riziko výbuchu nebo vznícení, pokud se s nimi zachází nesprávně. Mají také tendenci korodovat. „Lithiovou solí, která se v současné době používá v lithium-iontových bateriích, je hexafluorfosfát lithný, který představuje nebezpečí v podobě možného vzniku požáru a který je také značně toxický,“ popisuje rizika profesor MacFarlane.

Bez rizika i při vysokém napětí

U menších přenosných zařízení poháněných lithiovými bateriemi lze toto riziko obsažené v bateriích částečně zmírnit. Avšak ve velkých bateriích určených pro elektromobily nebo pro bateriová úložiště je potenciální nebezpečí mnohem větší. Baterie pracující s vysokým napětím a energií proto podle Douga MacFarlanea nemohou používat hexafluorfosfátovou sůl.

„Naším cílem bylo vyvinout bezpečné fluoroboritanové soli, na které nemá vliv, zda, případně jakým atmosférickým podmínkám jsou vystaveny,“ uvedl jeden z autorů studie Binayak Roy z Monash University. „Hlavní výzvou při vývoji nové soli fluoroboritanu přitom bylo syntetizovat ji v čistotě potřebné pro bateriové aplikace, což jsme dokázali rekrystalizačním procesem. Při praktické aplikaci lithiové baterie s katodami z oxidu lithia a manganu se pak podařilo dosáhnout více než 1 000 nabíjecích cyklů, a to i po vystavení obvyklým atmosférickým podmínkám, což je ve srovnání s hypercitlivou hexafluorfosfátovou solí zcela neuvěřitelný výkon,“ dodal.

Podle Binayaka Roye tak tento elektrolyt ve spojení s novým katodovým materiálem po instalaci ve vysokonapěťové lithiové baterii svými funkčními parametry značně překonal konvenční sůl. Kromě toho vědci zjistili také to, že nová sůl je na hliníkových sběračích proudu při vyšších napětích velmi stabilní, což je jeden z hlavních požadavků na baterie nové generace.

Hlavně tepelná stabilita a nehořlavost

Na výzkumu se podílela i australská společnost Calix, která se zabývá výrobou materiálů používaných v bateriích. Tyto materiály jsou na bázi manganu a společnost si zakládá na tom, že vznikají z minerálů vytěžených přímo doma v Austrálii. Od aktuálního výzkumu si společnosti Calix slibuje, že jí pomůže urychlit zavedení nových technologií výroby li-ionových baterií do praxe. Hlavním cílem jejího snažení pak je zajistit Austrálii domácí výrobu, a tedy co největší soběstačnost v produkci baterií pro skladování energie.

„Calix vyvíjí platformovou technologii pro výrobu vysoce výkonných, cenově konkurenceschopných materiálů pro bateriové systémy. Velmi těsně spolupracujeme s výzkumnými partnery na našich univerzitách Monash a Deakin, a to prostřednictvím společnosti StorEnergy, která podporuje vývoj elektrolytových systémů, které jsou kompatibilní s elektrodovými materiály Calix. Vynikající elektrochemický výkon a stabilita, kterou prokázal nový elektrolyt od vědců z Monash University, ve spojení s novým elektrodovým materiálem z oxidu lithia a manganu je důležitým milníkem, který nás posouvá o krok blíže k masové produkci baterií obsahujících elektrodové materiály nové generace,“ komentoval výsledky výzkumu Matt Boot-Handford, generální ředitel pro výzkum a vývoj společnosti Calix.

Podle australských vědců bude v příštích letech hrát zajištění tepelně stabilních, nehořlavých kapalných solí stále významnější roli, protože poroste riziko, že na mnoha místech světa bude docházet k stále větším teplotním extrémům. Navrhování bateriových technologií s garancí vysoké míry bezpečnosti a stability tedy bude v Austrálii, ale i mnohde jinde, úkolem opravdu velké důležitosti.

Produkce řady automobilek bude letos nižší, než se předpokládalo. Jedním z hlavních viníků tohoto nepříznivého vývoje jsou polovodiče, resp. jejich nedostatek, který se navíc stále prohlubuje. Na začátku letošního roku analytici předpovídali, že v důsledku nedostatku polovodičů se letos vyrobí o 1,5 milionu vozidel méně. Do dubna se toto číslo vyšplhalo na více než 2,7 milionu a v květnu to již bylo více než 4,1 milionu. Nedostatek polovodičů podtrhl nejen křehkost dodavatelských řetězců v automobilovém průmyslu, ale také upozornil na závislost automobilek na desítkách malých a skrytých počítačů, které dnešní vozy obsahují.

„Žádný jiný průmysl neprochází tak rychlými technologickými změnami jako automobilový,“ řekl Zoran Filipi, vedoucí oddělení automobilového inženýrství Mezinárodního centra automobilového výzkumu při Clemson University. „Je to dáno potřebou řešit hrozbu stále přísnějších předpisů týkajících se emisí CO2 a současně udržovat krok s vývojem automatizace a tzv. infotainmentu a plnit tak očekávání zákazníků ohledně výkonu, pohodlí a služeb,“ vysvětlil. V nadcházejících letech proto můžeme očekávat, že tento trend ještě zesílí s tím, jak stále více automobilek bude ustupovat od spalovacích motorů a přecházet k elektromobilitě a také k autonomním vozidlům.

Důraz na bezpečnost neustále roste

„Kdysi byl software jen jednou ze součástí auta. Dnes určuje hodnotu celého automobilu,“ poznamenává Manfred Broy, emeritní profesor informatiky na Technické univerzitě v Mnichově a přední odborník na automobilový software. Podle něj to, zda vůz bude úspěšný, závisí na jeho softwaru mnohem více než na jeho mechanickém provedení. „Téměř všechny inovace vozidel se v současnosti také pojí se softwarem,“ upozorňuje profesor Broy.

Zhruba před deseti lety obsahovaly vozy prémiových kategorií kolem 100 mikroprocesorových řídicích jednotek, jejichž celková délka kódů se pohybovala kolem 100 milionů řádků. Dnes mohou vozy nejvyšších tříd, vybavené špičkovými technologiemi, jako jsou asistenční systémy typu ADAS, obsahovat i 150 řídicích jednotek. Počtu 100 řídicích jednotek se přibližuje i řada vozidel nižších tříd, protože funkce, které byly kdysi považovány za vysoce nadstandardní, například adaptivní tempomat nebo asistenční brzdné systémy, se posunuly do oblasti standardního vybavení.

Stále přitom přibývají nové a nové bezpečnostní funkce, které rovněž vyžadují pokročilé řídicí technologie, nemluvě o trvale se zpřísňujících emisních limitech, které mohou vozidla splňovat pouze s pomocí sofistikované elektroniky a softwaru. Vzpomeňme v této souvislosti na aféru Dieselgate. Za jejím propuknutím stál fakt, že německá automobilka Volkswagen vybavila své automobily s dieselovými motory TDI softwarem, který rozpoznával, že motor pracuje v režimu odpovídajícím požadavkům laboratorních testů výfukových plynů, a změnou nastavení motoru dočasně snižoval množství vznikajících oxidů dusíku, aby její vozy splnily zákonný limit.

Poradenská společnost Deloitte odhaduje, že od roku 2017 lze přibližně 40 % nákladů na pořízení nového vozu přičíst elektronickým systémům fungujícím na bázi polovodičů, což je vzhledem k roku 2007 zdvojnásobení nákladů. (Před 50 lety to bylo pouhých 5 % z celkové ceny.) Do roku 2030 se tento podíl pravděpodobně vyšplhá až na polovinu celkových pořizovacích nákladů. Pokud vezmeme v úvahu jen samotné polovodiče, pak podle Deloitte jich má dnes každé nové auto v sobě v průměru za zhruba 600 amerických dolarů.

„Roste především množství softwaru napsaného za účelem detekce nesprávného chování vozidla a zajištění jeho bezpečnosti,“ říká Nico Hartmann ze společnosti ZF se sídlem v německém Friedrichshafenu, která je jedním největších světových dodavatelů automobilových komponentů. Jestliže k těmto účelům byla zhruba před deseti lety určena asi třetina softwaru, dnes je to podle Hartmanna často více než polovina.

Každý vůz unikátem

Softwarovou variabilitu, která znamená, že software v podstatě z každého jednotlivého vozidla činí unikát, dokládá například luxusní model SUV XC90 společnosti Volvo. Ten obsahuje přibližně 110 elektronických řídicích jednotek, přičemž jejich konkrétní sestava závisí na několika faktorech. Volvo totiž stejně jako všechny ostatní automobilky nabízí každý svůj model v různých variantách v závislosti na tom, pro který segment trhu je určen. Každý vůz totiž musí splňovat nejen regulační předpisy daného regionu, ale každý kupující má mít možnost vybrat si z více variant: ať již jde o funkce motoru, nebo o funkce vnitřního vybavení. Právě to, jaká konfigurace standardního, volitelného a zákonem požadovaného vybavení je zvolena, určuje přesný počet a typy řídicích jednotek, jejich softwaru a související elektroniky, které bude vozidlo obsahovat. Klíčové je samozřejmě to, aby jejich spolupráce byla zcela plynulá a harmonická.

Deloitte odhaduje, že nejméně 40 % rozpočtu na vývoj vozidla, od úplného počátku až do začátku výroby, plyne na systémovou integraci, testování, ověřování a validaci. Mít plně pod kontrolou veškerou elektroniku a software v každém jednotlivém vozidle je tedy poměrně obtížný úkol, který často vyvolává napětí mezi marketingovými odděleními automobilek, která se snaží vycházet zákazníkům co nejvíce vstříc a nabízet tedy co nejširší paletu variant, a mezi vývojáři a konstruktéry, kteří požadují na základě dobré obeznámenosti se složitostí realizace redukci této diverzity. Není proto překvapením, že efektivní správa této výrobní komplexnosti je v automobilovém průmyslu významným problémem, který v dohledné době jistě nezmizí.

Miliarda testů

Nejde samozřejmě pouze o software, ale i o fyzickou architekturu součástek, která s ním souvisí. Mnoho řídicích jednotek je spojeno s nějakými senzory nebo akčními členy, se kterými interagují, například v brzdových systémech nebo při monitoringu motoru. Kabelový svazek tak může obsahovat i více než 1 500 drátů o celkové délce až 5 000 metrů a o hmotnosti kolem 70 kg. Snižování hmotnosti a složitosti těchto kabelových svazků se proto stalo jedním z hlavních cílů automobilek.

I přes značnou snahu automobilek se přesto ne vždy podaří důkladně otestovat všechny možné kombinace sestav řídicích jednotek před zahájením výroby. Zatímco bezpečnostní prvky vozidla bývají většinou pevně dány, konečná podoba celé sestavy řídicích jednotek se zpravidla odvíjí od toho, jak vysoké požadavky na komfort vznese zákazník. V některých případech tak vozidlo, které sjíždí z výrobní linky, je také prvním vozidlem v dané softwarové konfiguraci.

Některé automobilky tak musejí řešit i statisíce potenciálních kombinací pro každý jednotlivý model. Máte-li pak důkladně vyzkoušet každou jednotlivou kombinaci elektroniky, znamená to otestovat až miliardu jejích unikátních konfigurací. Na druhou stranu celou řadu těchto konfigurací lze dnes řešit již během vývoje, tedy ještě před fyzickou částí výroby, počítačovými simulacemi.

Situaci ale komplikuje fakt, že téměř veškerý vývoj řídicích jednotek a příslušného softwaru zajišťují externí dodavatelé, kteří často nemají přehled o tom, jak má fungovat celá sestava, takže můžou nastat problémy se vzájemnou kompatibilitou. Jak málo softwaru automobilky vyvíjejí samy, dokládá nedávný výrok Herberta Diesse, předchozího generálního ředitele koncernu Volkswagen a současného předsedy jeho představenstva, v němž připustil, že jen asi 10 % softwaru pochází přímo od Volkswagenu. Zbývajících 90 % zajišťují desítky externích dodavatelů.

Komplikace, které tím mohou vzniknout, potvrzuje průzkum mezi dodavatelskými firmami automobilek, které odpovídaly na otázku, jak těžké je zjistit, zda změna v softwaru jedné řídicí jednotky ovlivní funkci jiné. Potíže připustilo více než 90 % z nich, z toho 37 % dotázaných firem uvedlo, že je to obtížné, 31 % odpovědělo, že je to velmi obtížné, podle 7 % je to téměř nemožné a podle 16 % to není možné vůbec. Dodejme, že podobné to je i z uživatelského hlediska: 83 % řidičů tvrdí, že nakonfigurovat si správně nový vůz je pro ně až příliš složité. To jsou bezpochyby znepokojující údaje.

Automobilky se vedle všech výše zmíněných problémů se softwarem musejí navíc připravit na to, že budou čelit stále sílící hrozbě záměrného vnějšího, hackerského útoku na software vozidla. Tato problematika se v současné době již řeší na mezinárodní úrovni, což dokládá například usnesení OSN o regulaci kybernetické bezpečnosti vozidel, některé prognózy jsou však spíše skeptické. Například poradenská společnosti McKinsey varuje, že složitost automobilového softwaru rychle přerůstá možnosti dále jej efektivně rozvíjet a udržovat. Složitost tohoto softwaru totiž za poslední desetiletí vzrostla čtyřikrát, ale produktivita firem, které jej automobilkám dodávají, se za stejnou dobu téměř nezvýšila. V příštím desetiletí se přitom tato složitost pravděpodobně opět několikanásobně zvýší. Výrobci automobilů i jejich dodavatelé se proto budou muset velmi usilovně snažit, aby tuto mezeru mezi vývojem a produktivitou co nejdříve uzavřeli.      

Vize člověkem řízené jaderné fúze se o krok přiblížila realitě: vědcům z kalifornského National Ignition Facility (NIF), který je součástí Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), se totiž podařilo na malý zlomek vteřiny dosáhnout tzv. zapálení. To je stav, kdy záření uvolněné při jaderné fúzi stačí k zahřátí okolního paliva, které také začne fúzovat, a vznikne tak sebeudržující se řetězová fúzní reakce.

Podle LLNL tím bylo v oblasti experimentálního výzkumu jaderné fúze dosaženo důležitého milníku s nadějnými vyhlídkami do budoucna. Zvládnutí zapálení jaderné fúze by totiž pro lidstvo znamenalo nový čistý zdroj energie a nepochybně by přineslo i odpovědi na řadu velkých otázek teoretické fyziky.

Americkým vědcům se v laboratorních podmínkách podařilo zapálení dosáhnout díky obří soustavě téměř 200 laserů o velikosti tří fotbalových hřišť. Ty mířily na peletu deuterium-tritiového fúzního paliva o průměru pouhých několika milimetrů. Laserový paprsek zahřál peletu na teplotu více než 3 miliony °C, čímž se odpařil její povrch a došlo ke stlačení deuteria a tritia na hustotu, při které se jejich atomy začaly slučovat. Při tom se uvolnilo více než 1,3 MJ energie, tedy zhruba 25násobek dosud rekordního množství energie, kterého se podařilo v NIF dosáhnout v roce 2018.

Nový rekord padl i díky řadě technických vylepšení celého experimentálního zařízení: byla použita nová diagnostika, došlo ke změnám ve výrobě tzv. hohlraumu, dutého zařízení, v němž je umístěna peleta, a zvýšila se rovněž přesnost laseru.

Přestože uvolňování energie trvalo jen velmi krátkou dobu – pouhých 100 biliontin sekundy – vědce výsledek experimentu nadchl. „Tento výsledek je historickým pokrokem ve výzkumu fúze inerciálního udržení,“ radostně komentovala událost Kim Budilová, která je ředitelkou LLNL.

I nejnovější experiment si stejně jako všechny předchozí stále vyžádal na vstupu více energie, než kolik jí vyprodukoval, je však prvním, při kterém se podařilo dosáhnout klíčové fáze – zapálení. Vědci si tak připravili půdu pro dosažení další mety, tzv. breakeven, tedy momentu, kdy energie na vstupu je ekvivalentní energii uvolněné fúzní reakcí. Teprve pak bude možné začít se vážně zabývat energetickým ziskem z jaderné fúze.

Jako ve středu Slunce

Někteří vědci považují jadernou fúzi za možný energetický zdroj budoucnosti, zejména proto, že při jeho využívání vzniká jen velmi málo odpadu a žádné skleníkové plyny. Od jaderného štěpení, techniky, která se v současné době používá v jaderných elektrárnách, se zcela zásadně liší. Při štěpné reakci se přerušují vazby mezi těžkými atomy, díky čemuž dochází k uvolňování energie. Ve fúzním procesu se naopak spojují lehká atomová jádra, čímž vznikají jádra těžká a rovněž se uvolní značné množství energie.

V současné době existují dva hlavní způsoby, kterými se vědci snaží ovládnout jadernou fúzi: magnetické a inerciální udržení. Při magnetickém udržení jde o dosažení ustálených podmínek fúzního hoření a o zapálení mluvíme, pokud ohřev plazmatu stačí k stálému udržení extrémní teploty. V NIF se zaměřují na fúzi inerciálního udržení. Myšlenka řízeného uvolňování fúzní energie pomocí inerciálního udržení vychází ze stejného obecného principu, na jakém funguje vodíková bomba – palivo je zahřáto tak rychle, že dosáhne podmínek potřebných k zapálení fúze a začne hořet předtím, než se rozletí. Setrvačnost neboli inerce paliva zabraňuje jeho okamžitému úniku. Důležité však je, že množství paliva musí být mnohem menší než v případě vodíkové bomby, aby energie jednotlivé „exploze“ nezničila okolní prostředí. Objem paliva je také omezen tím, kolik energie dokážeme dodat, aby se palivo dostatečně rychle zahřálo.

Omezení množství paliva lze teoreticky vypočítat. Typické hodnoty energie uvolněné každou malou explozí by tak měly dosahovat řádově stovek milionů joulů. Pro srovnání, jeden kilogram benzínu obsahuje zhruba 40 milionů joulů, takže každá exploze by odpovídala spálení několika kilogramů benzínu. K uvolnění takového množství energie ale stačí jen několik miligramů směsi deuteria a tritia, a to díky jejímu mnohem většímu energetickému obsahu. Toto množství má v pevném skupenství podobu malé kuličky o poloměru pouhých několika milimetrů a odborně se nazývá terčík.

 V LLNL tento teoretický koncept realizují tak, že systémem laserů ohřívají na velmi vysokou teplotu palivové pelety. Ty obsahují tzv. těžké vodíky – deuterium a tritium –, které lze snáze „tavit“ a vyprodukovat z nich více energie. Palivové pelety je však třeba ohřát a stlačit do stavu, který panuje ve středu Slunce, tohoto přírodního fúzního reaktoru.

Jakmile je těchto podmínek dosaženo, fúzní reakce uvolní několik částic, včetně částic „alfa“, které interagují s okolní plazmou a dále ji zahřívají. Zahřátá plazma pak uvolňuje více a více částic alfa a rozbíhá se řetězová reakce – proces označovaný jako zapalování.

Zjistit, co bylo po Velkém třesku

„Týmy NIF odvedly mimořádnou práci,“ ocenil práci svých kolegů profesor Steven Rose, spoluředitel Centra pro studium inerciální fúze na Imperial College London, s tím, že jde o nejvýznamnější pokrok v oblasti experimentů s inerciální fúzí od jejich počátků, které se datují do roku 1972.

Jeremy Chittenden, Roseův kolega ze stejného centra, však varoval, že učinit z tohoto laboratorního a čistě experimentálního řešení prakticky využitelný zdroj energie nebude snadné. „Proměna tohoto konceptu na obnovitelný zdroj elektrické energie bude pravděpodobně dlouhý proces, během nějž bude nutné překonat řadu významných technických výzev,“ řekl, avšak optimisticky dodal: „Tempo zvyšování produkce energie je rychlé, což naznačuje, že brzy můžeme dosáhnout dalších energetických milníků, jako je stav, kdy na výstupu dosáhneme vyššího energetického výtěžku, než je energetická náročnost laserů použitých k nastartování procesu. “

Tým z Imperial College London nyní analyzuje výstupy experimentu pomocí diagnostických metod, které sám vypracoval, aby co nejlépe porozuměl tomu, co se děje za tak extrémních podmínek. Brian Appelbe, výzkumný pracovník Centra pro studium inerciální fúze, uvedl: „Lasery NIF již dříve dokázaly vytvořit ty nejextrémnější podmínky na Zemi, ale nyní se zdá, že nový experiment zdvojnásobil předchozí nejvyšší dosaženou teplotu. Dostali jsme se tak do situace, v níž jsme nikdy předtím nebyli – nacházíme se na dosud nezmapovaném území našeho porozumění plazmě.“

Zvládnutí jaderné fúze a detailní porozumění jejím mechanismům by mohlo teoretickým fyzikům otevřít nové možnosti výzkumu některých nejextrémnějších stavů vesmíru, včetně těch, které panovaly jen několik minut po Velkém třesku.

Pokud se řekne fotovoltaika, obvykle tím myslíme velké solární či fotovoltaické články přeměňující sluneční světlo na elektřinu, které jsou umístěné na střechách budov. Američtí vědci ale nyní přišli s objevem, který umožní zavést tuto technologii i do interiérů domů. To by mohlo dále zvýšit energetickou účinnost budov a podpořit rozvoj bezdrátových chytrých technologií, jako jsou například protipožární alarmy, bezpečnostní kamery nebo teplotní či jiné senzory, obecně zařízení spadající do tzv. internetu věcí (IoT).

Studie amerického Národního institutu pro standardy a technologie (NIST) publikovaná v časopise Energy Science & Engineering naznačuje, že možnost zachycovat světlo v interiéru a rovnou na místě je přetvářet v elektrickou energii je již na dosah. Vědci k testům použili speciální moduly pohlcující pouze světlo z LED zdrojů. Ty pak dokázaly dodávat senzorickým zařízením více energie, než tyto senzory při svém provozu spotřebovaly. Výsledek pokusů tak ukázal, že by takováto zařízení mohla při dostatečném osvětlení daného prostoru běžet nepřetržitě a bez obsluhy, nebylo by tedy nutné ručně měnit nebo dobíjet baterie.

„My v našem oboru jsme předpokládali, že pomocí fotovoltaických modulů je možné různá zařízení IoT napájet dlouhodobě, ale dosud jsme k tomu neměli data, která by tento předpoklad podporovala. Toto je tedy první krok k tomu, abychom mohli říct, že tato zařízení je možné vypojit z běžné elektrické sítě,“ uvedl Andrew Shore, strojní inženýr NIST a hlavní autor zmíněné studie.

Najít správné materiály

Většina budov je během dne osvětlena kombinací slunečních a umělých světelných zdrojů. V brzké době by však i po setmění mohl druhý ze zdrojů dodávat některým zařízením energii i nadále. Jsou zde však jisté fyzikální komplikace. Světlo z běžných interiérových zdrojů, jako jsou například LED diody, totiž pokrývá užší spektrum světla, než je tomu v případě slunečního záření, a některé materiály obsažené v solárních článcích také tyto vlnové délky zachycují lépe a jiné hůře. Aby tedy zjistili, jaké materiály použít a jak přesně je mezi sebou pospojovat, testovali Shore a jeho kolegové fotovoltaické miniaturní moduly vyrobené z fosfidu galia a india (GaInP), arzenidu galia (GaAs) – dvou materiálů velmi vhodných k zachytávání bílého LED světla – a křemíku, který je sice v tomto ohledu méně účinný, ale je to dostupnější materiál.

Vědci umístili několik centimetrů široké moduly pod bílou LED diodua celou tuto sestavu pak vložili do „černé skříňky“, která eliminovala jakékoli působení vnějších zdrojů světla. LED dioda po dobu experimentů produkovala světlo s konstantní intenzitou 1000 luxů, což je hodnota odpovídající úrovní světla v dobře osvětlených místnostech. U fotovoltaických modulů obsahujících křemík a arzenid galia se nasvícení umělým světlem ukázalo jako méně účinné než sluneční světlem, ale účinnost modulu obsahujícího fosfid galia a india byla pod LED osvětlením mnohem vyšší než v případě slunečního záření. Oba materiály – tedy fosfid galia a india a arzenid galia – pak v interiérovém srovnání výrazně předstihly efektivitu křemíku. Jejich účinnost transformovat LED záření na elektrickou energii bylo 23,1 % v případě fosfidu a 14,1% v případě arzenidu, efektivita převodu byla v případě křemíku pouhých 9,3 %.

Nový zdroj pro internet věcí

Vědce následně již příliš nepřekvapilo, že výsledky byly obdobné i v případě nabíjecího testu, kdy měřili, jak dlouho trvá modulům nabít již z poloviny nabitou 4,18voltovou baterii. Křemík se ukázal být opět nejhorším materiálem, když v nabití baterie zaostal o více než den a půl.

Vědeckým tým ale zajímalo i to, zda by křemíkový modul, navzdory jeho špatným výsledkům v testech, dokázal vyrábět dostatek energie pro provoz IoT zařízení, které většinou mají velmi nízkou spotřebu elektřiny.

Zařízením, které si vybrali pro svůj další experiment, bylo tepelné čidlo. To připojili ke křemíkovému fotovoltaickému modulu, který byl znovu osvícen LED diodou. Po zapnutí senzoru vědci zjistili, že je schopen pouze s napájením ze silikonového modulu bez problémů přenášet údaje o teplotě do blízkého počítače. Po dvou hodinách v černé skříňce světlo zhasli a senzor pokračoval v chodu, přičemž jeho baterie se v porovnání s nabíjením vybíjela poloviční rychlostí.

„I s méně efektivním miniaturním modulem jsme zjistili, že stále dokážeme dodat více energie, než bezdrátový senzor spotřebuje,“ komentoval výsledky Shore.

Zjištění vědců naznačují, že křemík, který se již běžně používá ve venkovních fotovoltaických modulech, by se mohl dobře uplatnit jako zdroj i v případě některých energeticky méně náročných interiérových zařízení. Takovéto moduly by se mohly uplatnit zvláště ve velkých kancelářských nebo průmyslových objektech, kde jsou světla většinou zapnutá nepřetržitě.

Tým vědců z NIST však plánuje pokračovat v experimentech, aby zjistil, jaké jsou možnosti využití takovýchto panelů v interiérových prostorech s proměnlivým osvětlením, tedy například bytových domech. Počítačovým modelováním hodlá prověřit, kolik fotovoltaických modulů by bylo potřeba k tomu, aby v interiéru při určité úrovni světla vyprodukovalo požadované množství elektřiny. Tyto simulace budou rozhodující pro následné diskuze o tom, zda a jak dalece nákladově efektivní implementace této nové technologie bude.

Australská společnost GMG tvrdí, že se jí podařilo vyvinout bateriové články pro elektromobily, které lze nabít až šedesátkrát rychleji než konvenční lithium-iontové baterie. Nová technologie by zároveň měla být i levnější, bezpečnější a snadněji recyklovatelná. Do sériové výroby by se tyto články měly dostat v roce 2024.

Společnost Graphene Manufacturing Group (GMG), která sídlí v australském Brisbane, vyvinula články ve spolupráci s taktéž australskou University of Queensland. Ty vedle toho, že se nabijí až šedesátkrát rychleji než nejlepší lithium-iontové články, dokážou uložit i třikrát více energie než nejlepší články na bázi hliníku. To by například znamenalo, že elektromobil, jehož nabíjení dnes trvá hodinu, by mohl být s novou technologií nabitý k plnému výkonu za pouhou minutu.

Články by údajně měly být také bezpečnější, protože pro ně neexistuje žádná horní hranice, která by mohla způsobit spontánní přehřátí. Díky základním stavebním materiálům by měly být ve srovnání s těmi současnými také udržitelnější a snadněji recyklovatelné.

Nanotechnologie a grafen

GMG plánuje, že nové grafen-hliník-iontové baterie uvede na trh na konci letošního nebo na počátku příštího roku, nejprve však pouze v podobě knoflíkových baterií. K zahájení výroby článků pro elektromobily by podle předpokladů mělo dojít na začátku roku 2024.

Bateriové články jsou založeny na technologii australského Institutu pro bioinženýrství a nanotechnologie při University of Queensland. Důležitou roli v celém procesu výroby elektrické energie totiž hraje právě speciální nanotechnologie, která umožňuje implementovat atomy hliníku do malých otvorů v grafenových vrstvách baterie.

Grafen je supertenká, pouze jeden atom tlustá forma uhlíku, strukturou podobná grafitu. Je to jeden z nejpevnějších známých materiálů na světě. Díky této „2D struktuře“ má některé zvláštní fyzikální vlastnosti, které se ukazují být pro řadu průmyslových odvětví velmi zajímavé.

Podle testu v recenzovaném odborném časopise Advanced Functional Materials články vykazují „i při vysoké zátěži vynikající výkon a překonávají tak všechny dosud známé AIB-katodové materiály“.

„Baterie se nabíjejí tak rychle, že je to v podstatě superkondenzátor,“ řekl Forbesu generální ředitel GMG Craig Nicol. Knoflíková baterie se například nabije za méně než 10 sekund. Nové články by také měly nabídnout mnohem vyšší hustotu výkonu než současné lithium-iontové baterie. Zároveň nevyžadují žádné vzácné prvky a nemají problémy ani s příliš vysokými teplotami. „Zatím nenastaly žádné teplotní problémy. Dvacet procent lithium-iontové baterie (ve vozidle) má co do činění s chlazením. Je vysoce pravděpodobné, že toto chlazení nebo topení vůbec nebudeme potřebovat,“ potvrzuje Nicol. „Nepřehřívají se a v dosavadních testech fungují dobře i při teplotách pod bodem mrazu,“ dodává.

Výrobce slibuje flexibilitu a příznivou cenu

Podle Nicola lze novou technologii článků velmi dobře integrovat do standardních výrobních procesů, a to tak, že se konstrukčně upraví pro instalaci do běžných, pro lithium-iontové baterie určených pouzder, například do platformy MEB koncernu Volkswagen. „Naše baterie budou mít stejný tvar a napětí jako mají současné lithium-iontové články, ale můžeme se takříkajíc přeladit na jakýkoli tvar,“ zdůraznil Craig Nicol.

GMG zatím nepodepsala žádné smlouvy s velkými automobilkami ani s jejich dodavatelskými firmami: „Zatím jsme se s žádnou velkou značkou nespojili, naše baterie by ale klidně mohla být zdrojem energie třeba pro iPhone, který by dokázala nabít během několika sekund,“ je přesvědčen Nicol. „Nejprve chceme na trh uvést knoflíkovou baterii. Tu půjde nabít za méně než minutu a ve srovnání s lithiem bude poskytovat trojnásobek energie,“ vysvětlil ředitel Nicol.

Také výrobní náklady by se měly pohybovat v přijatelných mezích. Cena hliníku se totiž v posledních letech nezvýšila tak výrazně, jako tomu bylo v případě lithia. Australské „zázračné“ baterie by se také měly obejít bez mědi, která cenu dnes běžných baterií také znatelně navyšuje.

GMG je sice podle svých slov otevřená obchodním dohodám s jinými výrobci, ale na druhé straně by chtěla tuto technologii rozvinout co nejdále vlastními silami. Firma je na tento další vývoj připravena: v Austrálii disponuje několika až padesátigigawattovými výrobními závody.

Načíst další