Mechanickou stimulací fólií vyrobených z problematicky recyklovatelného plastového odpadu lze dosáhnout konverze mechanické energie na elektrickou. Jde o cestu vhodnou pro výrobu elektrické energie v „nanoměřítku“, například pro potřeby napájení nositelné elektroniky.
Plastový odpad, který není určen k recyklaci, většinou končí buď na skládce, nebo ve spalovně, kde se z něj vyrábí elektrická energie. Čeští vědci z Univerzity Tomáše Bati ve Zlíně (UTB) však s využitím mechanicko-elektrické konverze dokážou z takového odpadu vyrábět malá množství energie i bez spalování. Generátory elektrické energie ze směsného komoditního odpadu lze zároveň využít jako náhradu za generátory na bázi polymeru polyvinylidenfluoridu (PVDF), sloučeniny, jejíž průmyslové zpracovávání začíná EU regulovat.
Výzkumný tým ve složení Petr Slobodian, Berenika Hausnerová a Pavel Říha z Fakulty technologické UTB se věnoval potenciálu obyčejných komoditních polymerů, jako je vysokohustotní polyetylen (HDPE), polypropylen (PP), polystyren (PS) a polyetylentereftalát (PET).
„Chtěli jsme dát odpadu novou funkci a tím vytvořit produkt s vysokou přidanou hodnotou. Ve zkratce, odpad jsme mechanicky stimulovali vibracemi, čímž došlo ke konverzi mechanické energie na elektrickou. V podstatě se nám z odpadků podařilo vytvořit nanogenerátory elektrické energie,“ říká o výzkumu Berenika Hausnerová. Pro pořádek je ale třeba podotknout, že slovo nano tentokrát necharakterizuje rozměry zařízení, ale skutečnost, že konverze energie probíhá v miniaturním (nano) měřítku.
Proč je snaha o takové využití netříděného plastového odpadu důležitá, má však podle ní ještě jeden důvod. V současné době se v rámci elektrifikace polymerů nejvíce zkoumá polytetrafluorethylen (PTFE), PVDF a jeho kopolymery s trifluorethylenem (PVDF-TrFE), hexafluorpropenem (PVDF-HFP) a chlortrifluorethylenem (PVDF-CTFE). Fluoropolymery se také často používají ke zvýšení elektrifikace jiných materiálů. Letos ale vstupuje v platnost nařízení EU o chemických látkách REACH (registration, evaluation, authorisation and restriction of chemicals — registrace, hodnocení, povolování a omezování chemických látek), které má využití těchto rizikových polymerů regulovat. Bude tedy třeba nalézat alternativy, kterými by se tyto sloučeniny daly nahradit, a to nejen v rámci generování elektrické energie.
„A nám se podařilo jednu z takových alternativ nabídnout.“
Hledání to však nebylo snadné a výzkum, jehož závěry dokonce otiskl prestižní časopis ACS Sustainable Chemistry & Engineering, vyžadoval mnoho hodin v laboratoři.
Konverze mechanické energie pomocí směsi netříděného plastového odpadu. Výstupní napětí generované v triboelektrickém režimu umožnilo detekci vibrací a krátkodobé rozsvícení LED diod
Experimentální část začala přípravou tenkých polymerních filmů pro sestavení nanogenerátoru. Na rozdíl od asijských vědeckých týmů nebyla však cílem práce výroba za pomoci energeticky náročných postupů jako např. rozpouštění a následné zvlákňování pomocí elektrospiningu.
„Naše plastová směs složená z potravinových obalů, lahví na nealkoholické nápoje, tácků na balení masa a lahví na mycí prostředky (v různých poměrech) se pouze nadrtila a roztavila tak, aby bylo možné z ní vylisovat tenké fólie. Z těch se pak vyřízly zkušební vzorky: čtverce o rozměrech 25 × 25 mm, které se jednotlivě vkládaly mezi elektrody ze sklo-epoxidového kompozitu o tloušťce 0,25 mm s tenkou vrstvou měděné fólie. Nad a pod vzorek jsme ještě umístili dvě ocelové desky, aby bylo zajištěno rovnoměrné rozložení mechanických impulsů. Celou sestavu jsme také fixovali elastickou lepicí páskou, která vyvíjela na polymerní filmy tlak přibližně 2 kPa. A cyklických vibrací jsme dosáhli za pomoci kyvadla, které naráželo na horní ochrannou ocelovou desku,“ doplňuje Petr Slobodian s tím, že pro výrobu elektřiny použil tým tři konverzní mechanismy. Různé fólie byly vystaveny tlaku (piezoelektrický režim), tření (triboelektrický režim) a změnám teplot (pyroelektrický režim), přičemž nejlepších hodnot dosahovala směs, v níž bylo přítomno 60 % materiálu PET z nápojových lahví, a to v triboelektrickém režimu. V tomto případě dosahovalo špičkové výstupní napětí přibližně 130 V přes jeden zatěžovací cyklus.
Oba vědci se ale shodují v tom, že výsledek jejich výzkumu neznamená, že by bylo možné nyní z netříděného plastového odpadu vyrábět elektřinu ve velkých objemech. Napěťové pulzy totiž trvají řádově milisekundy, ale tím, jak se opakují v mnoha tisících cyklech, je výsledné množství energie dostatečné pro napájení drobné flexibilní a nositelné elektroniky.
„Praktické využití energie indukované tlakem jsme demonstrovali samonapájecím senzorem, který díky připojenému snímači detekoval vibrace zařízení pro síťovou analýzu. V případě indukce triboelektrickým jevem šlo o senzor pro detekci vibrací konzolového nosníku a v případě indukce pyroelektrickým jevem se jednalo o senzor, který detekuje tepelný tok z dotyku prstu,“ pokračuje Berenika Hausnerová a dodává, že elektrická účinnost směsných plastů je ve srovnání s jednotlivými plasty vyšší.
„Zjistili jsme, že i když je nemísitelnost komoditních plastů jedním z hlavních problémů, které prakticky znemožňují recyklaci směsného odpadu, je tato nemísitelnost klíčovou výhodou pro jejich elektrifikaci bez jakýchkoli přídavných, energeticky náročných a často neekologických technik zpracování. Pro plné využití potenciálu těchto nanogenerátorů v robustních aplikacích ale ještě musíme vyřešit problémy související se složitými mezifázovými interakcemi mezi komponenty odpadních směsí.“
Pokud se tedy podaří překonat tyto potíže, mohly by se časem nanogenerátory vyskytovat třeba v oblečení, kde by třením při pohybu vyráběly elektřinu a zároveň snímaly funkce lidského těla a monitorovaly zdravotní stav.
Problematice bude věnován říjnový seminář pořádaný v rámci projektu Testovací laboratoř pro implementaci udržitelných a odolných technologií. V případě zájmu o účast na akci či další informace se obraťte na Ing. Dagmar Endlerovou (d_endlerova@utb.cz).