Průhledný materiál nanesený na okenní tabuli pomocí plazmového magnetronového naprašování řídí průchod tepla do místnosti v závislosti na venkovní teplotě. Unikátní objev tohoto materiálu je dílem vědců z Fakulty aplikovaných věd Západočeské univerzity v Plzni.
Týmu katedry fyziky Fakulty aplikovaných věd Západočeské univerzity (FAV ZČU), v jehož čele stojí prof. RNDr. Jaroslav Vlček, CSc., se podařil objev světového významu. Vyvinul průhledný materiál, který se nanese na okenní tabuli pomocí plazmového magnetronového naprašování a podle venkovní teploty řídí průchod tepla do místnosti. Nyní jsou plzeňští vědci zapojeni do výzkumného programu EU Switch2Save, který se zabývá úsporami energie potřebné pro klimatizaci budov, mimo jiné i pomocí aplikace termochromických materiálů na oknech budov.
POZVÁNÍ DO PROGRAMU EU
Nejprve konstatujme, že už samotná účast v evropském projektu není pro české vědce běžná a dosahuje se jí obtížně. Skupině prof. Vlčka se to podařilo díky vynikajícímu objevu, který získal mezinárodní patentovou ochranu.
„Od vzniku naší fakulty v 90. letech se věnujeme plazmovým technologiím,“ vzpomíná Ing. Jiří Rezek, Ph.D., výzkumný pracovník fakulty, který se věnuje zkoumání nových tenkovrstvých materiálů pomocí plazmových technologií.
„Před několika lety jsme se ve skupině prof. Vlčka začali zabývat materiálem, který má zajímavé vlastnosti. Jedná se o VO2 (oxid vanadičitý), jehož klíčovou charakteristikou je to, že se chová jako izolátor při pokojové teplotě, ale jako vodič při teplotách nad 68 °C. Nicméně využití plného potenciálu VO2 by však bylo vždy problematické, protože jeho příprava je velmi obtížná. Nám se podařil jako prvním na světě zásadní krok — snížili jsme potřebnou teplotu při jeho získávání z 500 °C na 300 °C. Docílili jsme toho, že se oxid vanadičitý stal srdcem technologie, kterou nazýváme chytrá okna.“
Výsledky výzkumu termochromických povlaků publikované v prestižních vědeckých časopisech vyvolaly oprávněný zájem a plzeňský tým byl přizván v roce 2019 do evropského výzkumného projektu Switch2Save, který se zabývá vysoce atraktivním a celospolečensky důležitým tématem šetření energie pomocí pokročilých úprav povrchu okenních tabulí. Sdružuje devět partnerů napříč Evropskou unií. Kromě koordinujícího Fraunhoferova institutu jsou řešiteli univerzity (ZČU v Plzni a NTU v Aténách), technologické firmy, ale například i druhá největší nemocnice v Řecku Agios Panteleimon, kde budou nová okna testována v reálném provozu.
„Cílem je udržení tepelného komfortu při výrazném poklesu nákladů na klimatizaci,“ vysvětluje Ing. Jiří Rezek, který byl zodpovědný za přenos technologie z plzeňské laboratoře do většího pracoviště v Německu. Tajemství úspěchu: vanad s wolframem Týmu prof. Vlčka z katedry fyziky FAV Západočeské univerzity se podařilo přenést metodu přípravy termochromické tenké vrstvy na bázi oxidu vanadičitého do velkého depozičního zařízení. Jedná se světově o vůbec první známý případ úspěšné přípravy tohoto velmi slibného materiálu na podkladu o velké ploše. Zde se jednalo o ultratenkou skleněnou fólii (tloušťka 100 μm, tedy jen o málo více než lidský vlas) o rozměrech 0,3 × 4 m. Úspěšná realizace proběhla v laboratořích Fraunhoferova institutu v Drážďanech (FhG). Ten se zabývá úsporou energie na klimatizaci, mimo jiné i pomocí aplikace termochromických materiálů na oknech budov. Průhledný termochromický povlak dokáže reagovat na okolní teplotu a samovolně se „přepínat“ ze stavu, kdy propouští infračervené sluneční záření (tj. teplo) a kdy ho naopak začne odrážet. Materiál při určité teplotě totiž změní své vlastnosti a začne odrážet infračervené záření. Tím pomůže udržovat tepelný komfort uvnitř budovy a výrazně sníží náklady na klimatizaci.
Ale je zde problém! Ona zmíněná přechodová teplota se u oxidu vanadičitého za normálních okolností pohybuje kolem 70 °C. „Taková teplota není ani v Teheránu na náměstí,“ říká s úsměvem Ing. Rezek a pokračuje: „Ale my jsme přišli na to, jak ten materiál upravit, v našem případě pomocí wolframu. Tím jsme přechodovou teplotu snížili na 20 °C, aniž jsme zhoršili průhlednost skla.“
VÝPOČTY DOPLNĚNÉ EXPERIMENTY
Plzeňskému týmu nepomohla šťastná náhoda ani kouzelný proutek. Jeho úspěchy jsou výsledkem dlouhodobé, často úmorné systematické práce širokého spektra odborníků, v němž hrály extrémní roli matematické modely. Teoretická část byla samozřejmě podpořena experimenty na plazmových reaktorech. Vědci zkoumali vlastnosti materiálu a architekturu povlaku tak, aby mohli získat požadované vlastnosti.
„Podařilo se nám připravit termochromický povlak, který má sendvičovou strukturu složenou ze tří vrstev,“ vysvětluje dr. Rezek. „Dohromady mají zhruba 400 nm, což je 150× méně, než má lidský vlas. Základem je oxid vanadičitý dopovaný wolframem. Když se správně připraví, což se nám podařilo, může fungovat jako takzvané chytré okno. Není to poprvé, co se nám nebo i jiným laboratořím povedlo tento materiál umístit na sklo. Vždy ale šlo jen o plochy v řádech několika centimetrů čtverečních. Jádro úspěchu tkví v tom, že tentokrát jsme výzkum přenesli do partnerského pracoviště ve Fraunhoferově institutu v Drážďanech, kde mají podstatně větší zařízení než u nás v laboratoři. Tenkou vrstvičku jsme tak mohli nanést na mnohem větší podklad. Jde o velice tenkou skleněnou fólii o ploše v řádech metrů čtverečních. Jsme první na světě, komu se něco podobného podařilo.“
Prof. Vlček k tomu dodává: „Mám radost, že naše osmiletá výzkumná práce přinesla úspěch. To ocenili i naši partneři v projektu, zejména představitelé Fraunhoferova institutu, kde jsme úspěšně uplatnili naše know-how. Nyní musíme ještě zlepšit optické vlastnosti vyvinutých materiálů.“
Program má dospět do finále v příštím roce. Do té doby se musí ještě vyřešit celá paleta technologických problémů. Jsou to například okenní rámy, jejich tvar a velikost, dále testování oken s novým materiálem v nemocnici v Aténách, měření úspor energie a rovněž výzkum psychologických dopadů na pocity lidí uvnitř místností.
Dosavadní průběžné testy ukazují, že se program vyvíjí správným směrem a můžeme očekávat pozitivní výsledky.