3D drukowane systemy pozyskiwania energii odpadowej ze smogu elektromagnetycznego

Jak efektywnie pozyskać energię z elektrosmogu, czyli bardziej inteligentne smart cities

„Wokół nas jest mnóstwo fal elektromagnetycznych, czyli energii w czystej postaci, a bardzo duża jej część jest bezpowrotnie tracona – nadajniki nadają cały czas, bez względu na to, czy ktoś w danym momencie odbiera wysyłane fale. Nie jest to na tyle duża wartość energii, aby bezpośrednio zasilić lodówkę, grzejnik czy żarówkę, natomiast niezaprzeczalne jest to, że w środowisku miasta taka energia jest wszędzie i łatwo dostępna i możliwe jest, żeby zasilić nią odpowiednio skonstruowane układy elektroniczne niskiego poboru mocy. Takie rozwiązania pozyskiwania energii odpadowej już istnieją, jednak można je udoskonalić tak, aby były tańsze, bardziej wydajne i bardziej przyjazne środowisku” – mówi dr hab. inż. Marcin Słoma, prof. uczelni z Wydziału Mechatroniki Politechniki Warszawskiej. Prowadzone przez niego badania, w ramach działania Proof of Concept finansowanego z Funduszy Europejskich dla Nowoczesnej Gospodarki 2021-2027 (FENG) przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej, mają na celu odzyskiwać energię odpadową przy pomocy anten wykonanych ze specjalnych materiałów przewodzących stosowanych w drukarkach 3D.

Elektrosmog to promieniowanie elektromagnetyczne emitowane przez urządzenia elektryczne i elektroniczne, takie jak radia, telewizory, komputery, telefony komórkowe, routery Wi-Fi, nadajniki telefonii komórkowej czy linie wysokiego napięcia. To, czy i jaki wpływ ma na zdrowie człowieka elektrosmog jest wciąż przedmiotem badań naukowych. Niektóre badania sugerują, że długotrwałe narażenie na smog elektromagnetyczny może prowadzić do zaburzeń snu, bólów głowy, zmęczenia, depresji, a nawet chorób nowotworowych, choć na razie nie ma jednoznacznych dowodów potwierdzających te teorie. Ale pomijając nawet, wciąż sporną, kwestię wpływu smogu elektromagnetycznego na zdrowie ludzi, wychwytywanie takich odpadowych fal elektromagnetycznych jest korzystne z innego powodu. Mianowicie można wykorzystać je jako powszechnie dostępne źródło energii. Jest to wyzwanie szczególnie istotne w przypadku tzw. smart cities, czyli inteligentnych miast naszpikowanych technologiami, po to, aby zbierać, analizować i wykorzystywać różne dane w celu poprawy jakości życia mieszkańców. Wśród smart cities prym wiodą m.in. Singapur, Tokio, a także Londyn, Barcelona czy Amsterdam. Jednak nagromadzenie sieci wifi, nadajników, czujników i różnych nowoczesnych urządzeń elektronicznych nie tylko zwiększa bezpieczeństwo mieszkańców i obniża koszty życia, ale również powoduje emisję bardzo dużej ilości promieniowania elektromagnetycznego, czyli tworzy elektrosmog.

„Smog elektromagnetyczny jest wystarczający do tego, żeby zasilić odpowiednio skonstruowane układy elektroniczne niskiego poboru mocy. Do zasilenia takich układów wystarczą nawet bardzo słabe sygnały. Wówczas nie musimy stosować w nich baterii ani prowadzić do nich kabli zasilających. Przykładem takich rozwiązań są różnego rodzaju czujniki, których w inteligentnych miastach jest bardzo dużo. Tworzą one sieci rozproszone i monitorują np. natężenie ruchu, zanieczyszczenie powietrza, stan techniczny budynków i infrastruktury, czy jakość wody w wodociągach. Co ważne, takie układy nie wymagają pracy ciągłej, jak np. żarówka. Idea polega na tym, że zasilane elektrosmogiem urządzenia cały czas odbierają małe dawki energii, sukcesywnie gromadzą ją w sobie i np. raz dziennie czy raz na godzinę, wykorzystując zgromadzoną energię, wysyłają informację na temat monitorowanego parametru” – wyjaśnia prof. Marcin Słoma.

Zasilane elektrosmogiem czujniki mogą znaleźć zastosowanie także w inteligentnym rolnictwie (w którym na bieżąco monitorowane są uprawy), w ochronie środowiska lub w telemedycynie (np. do stałego monitorowania stanu zdrowia pacjentów przebywających w swoich domach).

„Rozwiązania pozyskiwania energii odpadowej już istnieją na świecie – najczęściej w postaci klasycznych układów elektronicznych. Mój projekt polega na tym, aby przetestować podejście do wykonania drukiem 3D szczególnego rodzaju anten, które pozwolą odzyskiwać energię odpadową z fal elektromagnetycznych i przekształcać ją na zasilanie. Prace te bazują na zastosowaniu wcześniej opracowanych przeze mnie i mój zespół, materiałów przewodzących czyli kompozytów polimerowych z dodatkiem metalu, zaadaptowane do stosowania w drukarkach 3D. Takie rozwiązanie może być tańsze, bardziej wydajne i bardziej ekologiczne, bo zastosowane materiały mogą być biodegradowalne” – mówi prof. Marcin Słoma.

W ramach projektu Proof of Concept naukowcy współpracują z partnerem przemysłowym, co pozwoli im na skonsultowanie pomysłów oraz na przetestowanie wydrukowanych anten w procesie produkcyjnym, w którym zostaną one zintegrowane z odpowiednim urządzeniem elektronicznym.

Dr hab. inż. Marcin Słoma stopień doktora i habilitację uzyskał na Politechnice Warszawskiej. Jego praca doktorska koncentrowała się na zastosowaniu nanorurek węglowych w elektronice drukowanej, natomiast rozprawa habilitacyjna na szerszych zastosowaniach nanomateriałów węglowych w technologii elektronicznej. Odbył staże naukowe w takich jednostkach jak Uniwersytet Oulu w Finlandii, Uniwersytet Cranfield w Wielkiej Brytanii i Uniwersytet Stanforda w USA. Na Wydziale Mechatroniki Politechniki Warszawskiej, jako laureat grantu FIRST TEAM POIR Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, kierował grupą badawczą ³WELES opracowującą funkcjonalne materiały kompozytowe dla elektroniki strukturalnej. Autor ponad 50 artykułów naukowych w czasopismach z listy JCR i ponad 60 innych artykułów recenzowanych, wystąpień i materiałów konferencyjnych, recenzent w kilkunastu międzynarodowych czasopismach naukowych, współautor 11 patentów krajowych i międzynarodowych, a także autor monografii „Additive manufacturing of structural electronics” będącej efektem projektu ³WELES..