Co roku rozpoczęcie sezonu grzewczego w Polsce przypomina o rosnących kosztach energii i potrzebie poszukiwania bardziej efektywnych rozwiązań. Dobra wiadomość jest taka, że trwają już badania nad technologiami, które mogą w przyszłości obniżyć koszty ogrzewania, ale też chłodzenia budynków latem.

Naukowcy z Łukasiewicza – Instytutu Mikroelektroniki i Fotoniki, w ramach konkursu OPUS 28 Narodowego Centrum Nauki, opracowują biomimetyczne powłoki inspirowane strukturą skrzydeł ultraczarnych motyli, które w przyszłości mogą pomóc w pasywnym chłodzeniu i ogrzewaniu budynków, zwiększyć efektywność energetyczną paneli fotowoltaicznych, a nawet znaleźć zastosowanie w technologiach kosmicznych. Prace te łączą biologię, fizykę, chemię i elektronikę. A ich wspólnym celem jest efektywne zarządzanie energią zarówno cieplną, jak i cyfrową.

Ultraczarne motyle

Ale po kolei. W ramach konkursu OPUS 28 Narodowego Centrum Nauki instytut otrzymał finansowanie na dwa nowatorskie projekty. Jeden, prowadzony przez dr. hab. Michała Borysiewicza, dotyczy biomimetycznych powłok inspirowanych naturą, a konkretnie strukturą skrzydeł tzw. ultraczarnych motyli. Są to tropikalne gatunki, m.in. z rodzajów Papilio i Troides, których skrzydła pochłaniają nawet 99,9 proc, światła widzialnego.

Zawdzięczają to takiej mikrostrukturze łusek, które działają jak sieć mikroskopijnych pułapek na fotony. Naukowcy od lat starają się zrozumieć, jak przyroda osiąga taki efekt i jak można go odtworzyć w materiałach technicznych. Pomysł projektu dr. Borysiewicza narodził się z obserwacji materiałów opracowywanych w instytucie, czyli ciemnoszarych struktur wykazujących wyjątkowe właściwości absorpcyjne.

– Zawsze chciałem zrobić projekt naprawdę interdyscyplinarny. W naszych materiałach zobaczyłem podobieństwo do struktur występujących w skrzydłach motyli – wyjaśnia naukowiec. W efekcie powstał międzynarodowy zespół badawczy, w skład którego weszli specjaliści od biologii, fizyki, materiałoznawstwa i inżynierii z Polski, Uniwersytetu w Chicago oraz Karlsruhe Institute of Technology. Co ciekawe, zagraniczni partnerzy uczestniczą w projekcie bez finansowania z NCN; wnoszą oni własny wkład badawczy.

Od budownictwa do enegetyki

Celem projektu jest opracowanie cienkowarstwowych powłok nieorganicznych, które podobnie jak skrzydła przywołanych już motyli będą potrafiły selektywnie pochłaniać lub odbijać promieniowanie słoneczne. Powłoki te mają być wytwarzane metodą rozpylania magnetronowego, dobrze znaną w przemyśle, stosowaną m.in. do pokrywania szyb w nowoczesnych biurowcach. To oznacza, że technologia jest skalowalna i możliwa do zastosowania w praktyce.

Zastosowania tych powłok są potencjalnie bardzo szerokie. W budownictwie mogą wspomagać pasywne chłodzenie i ogrzewanie budynków, czyli oznacza to mniejsze zużycie energii i niższe rachunki w sezonie grzewczym. W energetyce mogą zwiększać sprawność paneli fotowoltaicznych, np. białe powłoki mogłyby odbijać światło do paneli, a czarne zwiększać absorpcję promieniowania cieplnego w generatorach termoelektrycznych.

Wreszcie, w technologiach kosmicznych powłoki tego typu mogą pełnić funkcję regulatorów temperatury w satelitach i urządzeniach narażonych na ekstremalne warunki.

Projekt uzyskał dofinansowanie w wysokości 2,2 mln zł; ma charakter badań podstawowych, ale ważny jest ów wyraźny potencjał aplikacyjny. Zespół planuje również testy z materiałami termoelektrycznymi, które przetwarzają ciepło na energię elektryczną. Pokrycie ich czarną powłoką mogłoby zwiększyć wydajność takich urządzeń. A to z kolei otwiera drogę do nowych rozwiązań w energetyce odnawialnej.

Nowe podłoża ceramiczne

I na tym nie koniec, bo równolegle zespół dr hab. inż. Beaty Synkiewicz-Musialskiej pracuje nad nową generacją podłoży ceramicznych dla łączności 5G i 6G. Ten drugi projekt finansowany w ramach OPUS 28 dotyczy zupełnie innego obszaru, choć również koncentruje się na materiale i jego właściwościach.

Zespół kierowany przez dr hab. inż. Beatę Synkiewicz-Musialską, liderkę Grupy Badawczej Technologia LTCC w Łukasiewicz – IMiF, opracowuje nowe podłoża ceramiczne do zastosowań w systemach łączności 5G i 6G oraz w urządzeniach działających w zakresie fal terahercowych. Nowe materiały mają powstać w technologii ULTCC (Ultra Low Temperature Cofired Ceramics), czyli ceramiki współwypalanej w ultraniskich temperaturach, poniżej 660 stopni Celsjusza.

Ich zaletą ma być niska cena, lekkość, ekologiczność oraz możliwość miniaturyzacji i integracji elementów elektronicznych. Analizy prowadzone przez zespół obejmują właściwości dielektryczne, termiczne i mechaniczne nowych materiałów oraz ich zachowanie w paśmie 0,1–3,5 THz.

W praktyce takie podłoża mogą znaleźć zastosowanie w urządzeniach nowej generacji, poczynając od miniaturowych anten i modułów komunikacyjnych, na czujnikach i układach elektronicznych o wysokiej częstotliwości kończąc. To niezwykle ważne w perspektywie technologii 6G, która ma umożliwić transmisję danych z prędkością do 1 terabita na sekundę. Projekt realizowany jest wspólnie z Wojskową Akademią Techniczną im. Jarosława Dąbrowskiego w Warszawie. Wysokość otrzymanego finansowania to 1,7 mln zł.

Wyznaczanie nowych kierunków

Oba projekty, mimo różnicy tematycznej, mają wspólny mianownik. Łączy je interdyscyplinarność, dążenie do praktycznego zastosowania oraz strategiczne znaczenie, jeśli chodzi o wyzwania energetyczne i cyfrowe. Badania nad powłokami inspirowanymi naturą mogą przynieść rozwiązania sprzyjające transformacji energetycznej, natomiast nowa generacja podłoży ceramicznych może stać się fundamentem przyszłych systemów komunikacji i elektroniki.

Ale wyzwań nie brakuje. W przypadku powłok konieczne będzie dostosowanie materiałów do warunków eksploatacyjnych w budynkach, potwierdzenie ich trwałości, odporności i realnych efektów energetycznych. W przypadku ceramiki liczyć się będzie współpraca z przemysłem telekomunikacyjnym i producentami komponentów, tak aby badania przełożyły się na masową produkcję.

Jednak obie inicjatywy należą do tego rodzaju badań, które mogą przynieść w praktyce korzyści gospodarcze i środowiskowe. Nabierają szczególnego znaczenia, ponieważ otwierają perspektywę dla budynków, które same regulują swoją temperaturę, oraz dla sieci komunikacyjnych, które działają szybciej, oszczędniej i bardziej niezawodnie. A to oznacza, że mogą wpłynąć na komfort życia, bezpieczeństwo energetyczne i tempo cyfrowej transformacji.

I choć konkretne efekty tych badań poznamy za kilka lat, to pokazują one, że polska nauka potrafi tak samo dobrze reagować na globalne trendy, jak i wyznaczać nowe kierunki, które mogą doprowadzić do przyszłych zastosowań przemysłowych.

Opinia partnera cyklu

Dr hab. inż. Beata Synkiewicz-Musialska, lider Grupy Badawczej, Centrum Materiałów Funkcjonalnych | GB Technologia LTCC, Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Mikroelektroniki i Fotoniki

Badania nad nowymi materiałami to dziś badania nad przyszłością jakości naszego życia. W świecie, w którym energia i dane stają się nowym „paliwem cywilizacji”, to właśnie innowacje materiałowe pozwolą zużywać mniej energii i tym samym obniżać zarówno koszty, jak i ślad węglowy. W Łukasiewicz – IMiF prowadzimy badania, które odpowiadają na te globalne wyzwania, łącząc inspirację naturą z zaawansowaną inżynierią.

Projekt inspirowany skrzydłami ultraczarnych motyli to przykład tego, jak zjawiska wypracowane przez miliony lat ewolucji można przełożyć na język technologii. Natomiast w badaniach nad nową generacją podłoży ceramicznych w technologii ULTCC dotykamy równie kluczowy aspekt przyszłości – cyfrową transformację. Miniaturyzacja i integracja pasywnych komponentów to dziś klucze do tworzenia mniejszych, szybszych i bardziej energooszczędnych urządzeń. Od smartfonów i elektroniki ubieralnej po czujniki medyczne i inteligentne systemy IoT – wszystkie te rozwiązania wymagają stabilnych podłoży, które zapewniają niezawodność przy coraz wyższych częstotliwościach pracy układów.

Oba projekty łączy wspólny cel: lepsze gospodarowanie energią – zarówno cieplną, jak i cyfrową. Biomimetyczne powłoki i ceramika ULTCC to dwie strony tego samego procesu

– jedna ogranicza straty energii w świecie fizycznym, druga w cyfrowym. Takie interdyscyplinarne podejście, łączące biologię, fizykę, chemię i inżynierię materiałową, staje się dziś kluczem do rozwiązywania globalnych problemów energetycznych i klimatycznych.

Czy osiągnięcie tych celów jest realne? Tak, bo punktem wyjścia są technologie skalowalne i oparte na dobrze znanych procesach przemysłowych. Badania, które dziś mają charakter podstawowy, są projektowane z myślą o wdrożeniu. Inspiracja naturą i rozwój nowych materiałów to już nie ciekawostki naukowe, lecz strategia przetrwania w świecie, w którym efektywność energetyczna i cyfrowa wyznacza zarówno kierunek rozwoju, jak i poczucie bezpieczeństwa.

Dr hab. Michał A. Borysiewicz, lider obszaru materiałów porowatych, Grupa Badawcza Materiały dla Energetyki, Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Mikroelektroniki i Fotoniki

Wraz z rozwojem cywilizacji i zmianami klimatu coraz większa część generowanej energii jest zużywana na zapewnienie komfortu termicznego poprzez ogrzewanie i chłodzenie budynków, zależnie od pory roku i klimatu. Aby ograniczyć zużycie energii, rozwijane są rozwiązania zapewniające pasywne grzanie i chłodzenie. W swoim projekcie badam powłoki wytwarzane w sposób imitujący struktury występujące w bardzo czarnych motylach i pająkach, a także w bardzo białych owadach, które przyczyniają się odpowiednio do dużej absorpcji bądź odbijania światła słonecznego. Prace realizowane w konsorcjum pozwolą wytworzyć wiedzę istotną dla lepszego regulowania temperaturą, ale również dla zoologii.

Chcemy nie tylko inspirować się przyrodą w wytwarzaniu nowych materiałów i technologii, ale jednocześnie lepiej zrozumieć naturalne procesy ewolucyjnego rozwoju cech gatunkowych związanych z zarządzaniem temperaturą. Wierzymy, że finalnie badania te wpłyną na lepszą jakość życia nas wszystkich. ∑