Hledáte novou oblast k podnikání? Věnujte se novým materiálům
Rychle se mění pohledy na využitelné přírodní zdroje. Podle amerického environmentalisty Paula Hawkena industriální společnost je udržována při životě systémy, které vyžadují obrovské teplo a tlak, jsou závislé na petrochemii, náročné na materiály a vyžadují toky toxických a nebezpečných chemikálií. To vše pak skončí jako znečištění, kyselé deště a skleníkové plyny, které narušují všechny přírodní systémy. I když dosavadní úsilí o ekologizaci výroby trvají asi 30 let, zatím to mnoho nepomohlo a svět se utápí v odpadech. Například americká ekonomika je velmi neefektivní. Jak uvádí Paul Hawken, asi jen 6 % z jejich obrovských materiálových toků nakonec skončí coby produkty. Čtete dobře – pouhých 6 %. Celkově se poměr odpadu k trvanlivým výrobkům, které představují základ našeho materiálního blahobytu, blíží poměru 100 : 1. Ekonomika jako celek dosahuje jen několik procent energetické účinnosti, kterou jí dovolují fyzikální zákony. Všechno to plýtvání je podporováno dotacemi na skryté drancování přírody a přirozená ekonomická soutěž je potlačena. Hledá se inspirace v př írodě Naštěstí nejen tlak veřejnosti na ochranu přírody, ale hlavně narůstající tlaky ekonomického soupeření ve prospěch úspory zdrojů, otevírají vzrušující obzory pro chemiky, fyziky, biology, průmyslové inženýry a hlavně pro projektanty, designéry a materiálové inženýry, aby zvrátili dosavadní systém toku materiálů, energií, vody, přírodních zdrojů a lidské námahy. Přezkoumávají se energetické, materiální systémy potřebné na výrobu určitých produktů z hlediska jejich náročnosti na energie, teplotu, tlak, toxické látky, povrchovou úpravu, bezpečnost a recyklovatelnost. Postupně se opouštějí mechanické systémy, které vyžadují těžké kovy, spalování nafty, nesmyslný transport polotovarů a finálních výrobků. Hledají se řešení, která vyžadují minimální vstupy, nízké teploty, enzymatické reakce. Hledá se inspirace v přírodě, která za miliony let prověřila různé postupy, a ty efektivní se udržely dodnes. Proč je neokopírovat? Podle Paula Hawkena a dalších autorů obchodní a průmyslová sféra přechází na nápodobu biologických a ekosystémových procesů a přírodních metod produkce a řízení při výrobě chemikálií, materiálů, součástek a mikroprocesorů. Některé z nejzajímavějších inovací vznikly na základě bioniky – nápodoby technik, jakými příroda při tělesné teplotě, pod nízkým tlakem a s využitím sluneční energie vytváří produkty soupeřící se vším, co vyrábí člověk. Tedy dosavadní pohledy na materiály se stávají zastaralé a vše nazrává k radikální materiálové revoluci. Revoluce je za dveřmi, jen př ipravení na ní vydělají Na celém světě jsou tisíce chemiků, fyziků, materiálových inženýrů, kteří hledají efektivní způsob, jak přestat těžit a zpracovávat suroviny. Materiálová revoluce, která je za dveřmi, změní absolutně celý svět. Oč jde? Jde o totální změnu materiálového inženýrství. Například kompozitní materiály se prosazují všude, kam se podíváte. A nejen klasické kompozity. I jejich pokročilé verze. Vezměte si 3D tisk. 3D tiskárny začnou brzo používat náplně, o nichž se nám nikdy ani nesnilo. Tato materiálová revoluce již začíná běžet nyní, a proces zlepšování se stále zrychluje. Uvědomme si, kdo z nás před 5 lety věděl o 3D tiskárnách a přikládal jim význam, který dnes mají? Vypadaly jako hračky pro vysoké školy a pro designéry, aby lépe viděli trojrozměrnou dimenzi svých nákresů a mohli si vyrobit maketu či prototyp. A kde jsou tiskárny dnes? Již dnes se tisknou domy, elektroauta, funkční prototypy raketového motoru. Tisknou se zbraně, nábytek, sklo, sochy, oblečení, nové orgány z kmenových buněk, mosty přes řeku, tiskne se jídlo a bůh ví, co ještě. To jsou jen první vlaštovky. Během příštích 5 až 7 let změní 3D tiskárny tvář světa. A to ještě není všechno. Až se za deset let zdokonalí a zlevní manipulace s jednotlivými atomy, rozvine se plně nové odvětví – nanotechnologie. Pak nanomateriály tuto změnu materiálového inženýrství naprosto dokonají. Lze odhadnout, že 90–95 % stávajících materiálů na výrobu čehokoliv přestane existovat. Postupně se přestanou těžit suroviny jako železná ruda, bauxit, síra, uhlí, ropa, wolfram, zlato, stříbro, platina, nikl, cín, coltan (tantal) apod. Zlato a stříbro se zřejmě budou těžit jen na šperky a jako investiční prostředky. Ostatní suroviny – prvky budou nahrazeny novými materiály s přesně definovanými užitnými vlastnostmi. Vše okolo nás se bude vyrábět na míru – bez opracování a obrábění a hlavně bez odpadu. Biologizace prostředí Kromě 3D tiskáren a nanotechnologií se začíná prosazovat výroba předmětů pomocí přírodních procesů. Jsou činěny pokusy s organismy, které lecco vyrobí. Například vápencové stavební bloky pro domy se nemusejí jen tisknout, ale mohou je ve zrychleném procesu vybudovat mikroorganismy budující korálové útesy. Již dnes umíme „ochočit“ bakterie, aby požíraly odpady. Bakterie mohou pro člověka vyrábět nepřebernou paletu surovin a výrobků. Člověk se učí zvládnout fotosyntézu. Snaží se ovládnout přírodní procesy a rozumně je využívat. Lze očekávat, že za 20 až 30 let biologizace prostředí dostane zelenou a budou nás obklopovat biologické inteligentní systémy a my budeme žít v souladu s nimi. Kde všude a v jaké podobě můžeme nové materiály čekat? Přestanou existovat dnešní továrny na výrobu materiálů – oceli, mědi, hliníku, plastů, dřevotřísek apod. Změní se výrobní cyklus, kdy v jedné továrně – laboratoři se obvykle vyrobí produkty od A do Z. Výjimku patrně budou tvořit náplně do 3D tiskáren. Zajímavá bude i recyklace. Zatím sci-fi, ale k revoluci v energetice dojde Změní se vše, kam se podíváte. Například budovy. Velmi aktuální jsou materiály s rozdělenou funkcí vyhřívání či chlazení. Fotovoltaika může napájet jakékoliv vytápěcí či chladicí materiály – systémy. Patrně dojde k rychlému úbytku všech typů radiátorů, které skončí v muzeích. Ještě zajímavější jsou fólie s obojí funkcí. Nové materiály ve formě lepicích fólií budou použity na zdi, stropy a podlahy domů. V zimě budou hřát, v létě chladit. Půjde o několik vrstev fólií s různou atomovou – molekulární strukturou mřížek, do nichž se bude pouštět slabý proud – z fotovoltaiky. Podle orientace zapojení určitých vrstev se celá fólie může ohřát až na cca 40 °C nebo naopak ochladit na 10–5 °C a odnímat teplo. Umíte si představit, jakou revoluci to způsobí v energetice? Použití? V domácnostech, v továrnách, kancelářích, na zastávkách, veřejných prostorách, prostě všude. Některé verze uvažují s tzv. nástřikem takových materiálů. To je však zatím sci-fi. Změní se vše okolo nás Rozhlédněte se okolo sebe. Vozovky a chodníky se budou tisknout 3D tiskárnami. Materiál bude pružný a pevný, postupně se změní v tzv. inteligentní materiál, který se bude umět sám opravit, zacelit. Některé koncepty uvádějí, že v povrchu cest a chodníků budou zabudovány LED technologie, a kdykoliv po něm přejede auto nebo přejde člověk, tak se cesta či chodník rozsvítí. Nebude třeba sloupů veřejného osvětlení. Auta možná budou z nanokompozit a karoserie z nanorobotů, které budou držet tvar, jež budete moci podle potřeby měnit. Když se vám tvar vašeho auta omrzí, zajdete za designérem, on vám navrhne novou karoserii (s ohledem na podvozek a motor), vy zajedete do servisu, kde auto projede specializovaným rámem a nanoroboti se přeskupí a změní tvar. Systém tedy bude dynamický. To například může znamenat, že v zatáčce se některé části karoserie přizpůsobí odstředivým silám a pak se vrátí zpět. Podívejte se například na koleje pro vlaky a tramvaje. Brzo budou z nových materiálů, takže nebudou při jízdě vydávat hluk. Kola i koleje budou pevná a pružná, což dnes ocel neumí. Nebo se podívejte na svůj nábytek. Buď jej můžete mít z plného dřeva, což bude čím dál dražší, nebo z nových materiálů, které budou schopny se samy čistit, měnit tvar, barvu a povrchovou úpravu. Všechny předměty denní spotřeby budou z nových materiálů. Patrně do mnohých oborů vstoupí grafen, uhlík, jehož je všude dost. Například v elektronice. Elektrotech nika a elektronika V elektronice vidíme asi nejrychlejší materiálové pokroky. Výzkumníci již nalezli přes 50 různých aplikací grafenu. Některé z nich se realizují již dnes (například dotekové obrazovky, tranzistory, čidla). Přitom jsme pouze na začátku. I jednotlivé vlastnosti grafenu – optické, mechanické, elektrické – jsou skutečně neobvyklé. Navíc je můžeme kombinovat pro použití v elektromechanických a elektrooptických zařízeních. Nejlepší vynálezy nás teprve čekají. Elektronická zařízení, například mobilní telefony, vyžadují stále vyšší frekvence, protože se technici snaží do signálu vložit více informací. Grafen v této souvislosti nabízí vynikající řešení. Ještě větší využití slibuje na trhu fotonových čidel, která detekují informace přenášené optickými telekomunikačními vlákny. Až se možnosti materiálu grafenu spojí s konceptem kvantové mechaniky, to bude revoluce v mikro- a nanoelektronice. Podle serveru www.grafen.cz výzkum grafenu pokračuje. Jedná se například o výrobu tzv. grafanu, což je grafen doplněný atomy vodíku namísto některých dvojných vazeb benzenových kruhů grafenu. Zájem o grafan má však málo společného s jeho elektrickými vlastnostmi, protože se výzkum soustřeďuje hlavně na to, jak ho obalit jinými novými molekulami. Změny, které vyvolá přidání atomů vodíku, nejsou ničím ve srovnání s tím, co by s grafenem mohlo učinit přidávání jiných prvků. Nové materiály na bázi chemicky modifikovaného grafenu by mohly být ještě stabilnější, spolehlivější a užitečnější než samotný grafan. Do hry se postupně dostanou i magnetické, supravodivé nebo mechanické vlastnosti. To vše však vědu teprve čeká. Grafen je zázračným materiálem, který zcela změní budoucí podobu solárních článků, elektronických zařízení a baterií, vězte, že jeho potenciál je ještě daleko větší. Nový uměle vytvořený grafen má stejnou strukturu jako klasický, lze ale měnit jeho tvar a velikost a tak zlepšit výkon jakéhokoliv nového zařízení. Módní návrháře střídají vědci Podle Petra Špičky oblečení a obuv, v nichž budeme chodit za nějakých 10 let, nebude ani tak v rukou módních návrhářů, jako spíše vědců, počínaje chemiky přes fyziky až po biology. Na cestě jsou materiály dosud v oděvnictví nepoužívané, šaty sprejované přímo na tělo i modely, které budou dodávat elektrickou energii. Práci na technologii sprejů si vzal za svou prof. Manel Torres, podle nějž by v budoucnu mohli lidé jen nastříkat kolem těla spleť ztuhlých vláken, čímž vznikne jednoúčelový oděv. Dobrá myšlenka, jen zatím nevíme, co s takovým odpadem. Na Bathské univerzitě a na londýnské škole módy se zase rozhodli na základě jevů známých z přírody najít látky, které se budou zahřívat nebo zchlazovat. Díky nanotechnologii se jednou budou vyrábět textilie schopné vytvořit kolem sebe prostor přizpůsobený náladě nositele pachem, barvou, teplotou, povrchem, chutí a také zvukem. Již několik let jsou hotovy a testovány koncepty oblečení, které se nemusí ani prát ani žehlit. Oděvy, které změní podle přání barvu i vzor (po zmáčknutí čipu v rukávu či lemu nebo přiložením malého ovladače nebo zmáčknutím tlačítka v chytrém telefonu). Jedním z průkopníků nových materiálů oblečení je i vynikající japonský návrhář Issey Miyake, který pracuje s novými materiály a získal na svou stranu řadu vědců. Stojí zato si prohlédnout jeho kreace. Velké pokroky ve vývoji oblečení dělá také americká armáda, která pomocí nanotechnologií například získala neprůstřelné bundy z „ocelové pryže“. Tato bunda se po složení vejde do krabičky od cigaret. Nový typ oblečení s nanotechnologiemi přibere další funkce a výhody: bude hlídat náš zdravotní stav, podle potřeby bude hřát či ochlazovat. Dokonce některé koncepty hovoří o tom, že postačí jedna velikost oblečení, která se přizpůsobí každému tělu. Údajně půjde vyrobit i nezničitelné oblečení na celý život, které bude měnit tvar, barvu i vzor, čímž se stane univerzální. Avšak nevím, zda s tím budou souhlasit výrobci oděvů, výrobci skříní a hlavně ženy. Vždyť nakupování nových hadříků je slast. O tu by přišly. To vše způsobí postupný zánik téměř všech výrobců klasických tkanin, textilek apod. Pochopitelně, že vývoj bude pozvolný, leč definitivní. Nový typ oblečení, které se nebude muset ani prát ani žehlit způsobí také zánik výrobců bílé techniky – praček, sušiček i žehliček, ale také výrobců pracích prášků. To povede na jedné straně ke ztrátě milionů pracovních míst, na druhé straně k obrovskému nárůstu volného času žen a zlepšení životního prostředí bez pracích prášků. Závěr Celý svět dnes mluví o Průmyslu 4.0, který změní tvář světa. Ale skutečnou průmyslovou revolucí bude materiálové inženýrství. Nevíme, která její část bude díky nějakým synergiím mimořádně akcelerována, jako např. 3D tiskárny a které budou odsunuty na vedlejší kolej, protože buď pro ně ještě nenazrál čas, nebo budou nahrazeny jiným konceptem. Rozhodně se vyplatí posílat některé své zaměstnance – vývojáře a konstruktéry do kurzů, univerzitních a jiných, kde se to všechno dozvědí. Díky tomu se budete moci připravit, a na materiálové revoluci mimořádně vydělat. PhDr. Karel Červený, MSc., MBA
