CZ/EN

Příběhy z ústavů fakulty

Seznam příběhů z ústavů Fakulty strojní ČVUT v Praze
Důležité je podpořit tvůrčí lidi, kterým nechybí sociální zodpovědnost
Vysokootáčkové motory – řešení pro závodní auta i přenosný generátor
Nanomateriály dnes najdeme všude – od skalpelů po klobásy
CERN je pro studenty strojařiny úžasná příležitost
Emise zabijí desateronásobně víc lidí než dopravní nehody
I koroze může být krásná
Matematické modely chladicích věží ušetří investorům i stamiliony
Otevřená okna řeší problém s větráním na školách jen velmi omezeně

Dnešní strojař musí být zároveň i designérem

Unikátní 3D tiskárna z dílny pražských strojařů získala na MSV v Brně zlatou medaili

Rozvoj bioekonomiky se bez strojařů neobejde

Umělé hlasivky „na míru“ napodobí hlas pacienta

Sestra ledničky topí a produkuje elektřinu

3D tisk vyrobí letadlo i ozdobí dort


Důležité je podpořit tvůrčí lidi, kterým nechybí sociální zodpovědnost

pracoviste/12105/vizitkomat/05.jpgUž dlouhé roky vede Ing. Martin Nečas, MSc. Ph.D. z  Ústavu mechaniky, biomechaniky a mechatroniky Fakulty strojní ČVUT v Praze skupinky talentovaných studentů v studentských projektech, které jim umožňují v praxi poznat, ovládnout a tvůrčím způsobem použít procesy, které do té doby znali jen ze školních skript. „Je ale obtížné najít talentované lidi a projekt, ve kterém se všichni najdou, protože každý z týmu umí jen něco: někdo umí programovat, někdo konstruovat, někdo zase  PR …,“ vysvětluje Ing. Nečas problém, s nímž se v této souvislosti často potýká. Jeden z prvních projektů, který dokázal plně naplnit požadavek, aby se v něm každý člen týmu našel, byl Vizitkomat realizovaný týmem pěti velmi motivovaných a cílevědomých studentů.

Koho napadlo vyrobit právě Vizitkomat?

Idea vznikla uprostřed nezávazného hovoru o tom, jak naplnit fakultní projekt na podporu rozvoje studentů takovým způsobem, aby tam všichni měli něco „svého“, a aby z toho profitovala i fakulta. Nakonec vznikla myšlenka zkonstruovat stroj, který bude tisknout individualizované studentské vizitky FS ČVUT v duchu Průmyslu 4.0, a ve kterém bude spousta mechaniky a automatizační techniky.

Cílem byla interaktivita skrze internet, kdy potenciální studenti zadají své jméno a z aktuální nabídky oborů na Fakultě strojní ČVUT si vyberou oblast svého zájmu: Konstrukce, Letadla, Průmysl 4.0, Automobily atd. Následně webová aplikace na mobilním telefonu vygeneruje QR kód, který se načte do Vizitkomatu. Ten pak na předtištěný papír formátu A5 vytiskne detailní informace o oboru, který si student v aplikaci vybral, a v pravém dolním rohu pro něj vytvoří jeho osobní vizitku FS ČVUT.

Co bylo na projektu nejtěžší?

pracoviste/12105/vizitkomat/01.jpgU všech projektů je (kromě termínů) vždy velice důležitá skrytá neviditelná vnitřní energie, která žene projekt vpřed. Je třeba, aby všichni měli pocit, že jsou důležitou částí týmu a že jako celek směřují k jasně definovanému a důležitému cíli. Udržovat tuto energii na určité kritické hodnotě byla ve zlomových okamžicích projektu velká výzva.

Z hlediska konstrukčního řešení pak bylo nejsložitější skloubit kombinaci všech automatizačních technologií – od mechaniky, elektroniky, softwaru, až po problémy s technologickým zpracováním papíru. Součástí Vizitkomatu je paralelní manipulátor, který zakládá předtisky ze zásobníku o kapacitě 500 listů do tiskárny HP 3785, kterou jsme mechanicky upravili.'

pracoviste/12105/vizitkomat/04.jpgDalší velkou výzvou bylo, jak vyřešit uchopení papíru. Nejprve jsme nainstalovali vakuovou přísavku. Nikomu z týmu ale nedošlo, že uchopit papír ze zásobníku pomocí vakuové přísavky je sice možné, ale vzhledem k poréznosti papíru uchopíme nikoli jeden list, ale hned několik listů najednou. Nakonec tento problém geniálně vyřešil Bc. Ondra Pištora využitím přísavky založené na Bernoulliho efektu. Tuto přísavku vytiskl s prakticky nulovými výrobními náklady na 3D tiskárně…

Velkým problémem byla i konstrukce paralelního robotického manipulátoru pro zakládání papíru ze zásobníku do tiskárny. Strojařsky neobtížnější částí bylo zkonstruovat a vyrobit perforační zařízení pro vystřižení vizitky z předtištěného propagačního listu. Chtěli jsme, aby si dotyčný nemusel vizitku pracně vystřihovat, ale mohl si ji rovnou vyloupnout z vytištěného propagačního letáčku formátu A5.

Jak ale člověk Vizitkomatu zadá, co má udělat?

pracoviste/12105/vizitkomat/03.jpgStudent přijde k zařízení a prostřednictvím webové stránky (ideálně na mobilním telefonu) zadá své jméno a vybere si konkrétní obor.  Webová stránka potom vygeneruje QR kód, který obsahuje údaje potřebné k tisku. QR kód na displeji se načte prostřednictvím  kamery na Vizitkomatu. Není tedy možné tisknout z webu, člověk musí u stroje fyzicky být, mít nějaké zařízení schopné se připojit k internetu, a vygenerovat QR kód, který obsahuje všechny potřebné informace pro tisk. 

Není to jenom taková studentská hříčka?

Je to PR hračka, ale obsahuje sofistikované současné automatizační technologie, které se standardně používají v průmyslu.  A to, jestli se pomocí nich realizuje automat na kolu nebo stroj na vizitky, je už prakticky jenom otázkou zadání. Pro studenty je podstatné, že se naučí těmto technologiím rozumět a aktivně je používat. 

Na vysoké škole technického rázu je obtížné správně vyvážit poměr teoretického poznávání na jedné straně a na druhé straně tvrdých technických dovedností. Praktické dovednosti student často získává až v zaměstnání. Vždyť všichni víme, že člověk něco doopravdy umí až v momentě, kdy své znalosti sám aktivně používá.

Zkušenost je sice sdělitelná, ale bohužel nepřenositelná, a každý si tou cestou musí projít sám. Takový přístup ke studentům je velmi náročný na čas a péči. Takovou péči je možné věnovat jen těm nejlepším, kteří o to opravdu stojí, a ne všichni tuto kapacitu mají. Funguje to tak v celé společnosti. Ne všichni chtějí vyhrát maraton... Motivovaní studenti mají mít příležitost dělat něco navíc, a ti, co nechtějí, ať si splní nezbytné minimum. Obzvláště motivovaným a talentovaným studentům je třeba se věnovat individuálně, a to ideálně již od prvního ročníku.

Vyslechla jsem nedávno stesk majitele firmy na výrobu domácích spotřebičů, který je sám původně konstruktér, že jediné, co může o našich technických univerzitách říci, je to, že jejich absolventi přicházejí do praxe zoufale nepřipravení.

Je potřeba říci naprosto otevřeně, že vyrostla první generace „patlalů displeje“, a přiznat si, že ve spoustě ohledů jsou dnes lidé prostě jiní. Věci už nefungují na bázi příkazů, ale spíše na bázi dobrovolnosti – když chceš, tak bezva, když nechceš, nutit tě nebudeme. I proto není projekt Vizitkomatu primárně o stroji, ale především o příbězích lidí za ním, jejich motivaci a jejich vůli  tvořit něco společně  v týmu. A to je také těžké, protože během studia dělá člověk většinu věcí samostatně. Týmová práce se příliš nepodporuje. U zkoušky jsou pochopitelně také sami za sebe. V dnešním světě se ale věci tvoří v týmech. Problém školní týmové spolupráce tkví často v tom, že se vždy najde tahoun a ostatní mají tendenci se pasivně vézt. Tahoun ovšem musí být zároveň lídrem, který nedělá všechno sám, ale dovede ostatní motivovat a vést.

Tendence nikoho do ničeho nenutit nejde s technikou příliš dohromady?

Je to hodně o vůli. Lidé, kteří „chtějí“, přinášejí do projektů energii, bez které se nedá nic pořádného udělat. Na studentech, se kterými se mi dobře pracuje, vždy sám za sebe něco skrytě obdivuji, nadání, vůli, talent, životní přístup... Myslím, že ve všech firmách, které jsou úspěšné, se manažeři snaží tuhle energii udržovat. V Googlu mají akvária a jídlo zdarma, benefity, aby se tam zaměstnanci cítili co nejlépe a byli  motivovaní vydat ze sebe maximum. Aby jim nikdo nemusel stát za zády a nemusel říkat: „Hele, Jirko, teď bys měl udělat…“.

Ale ne každý je takto nastavený a překonávat vlastní lenost je bolestné. Ten stesk, který jste zmiňovala, celkem chápu. Souvisí s tím, že dnes žijeme v době charakterizované hesly „Nevaž se, odvaž se, hlavně se pobav, nedělej nic, co je moc namáhavé, a když už to začíná bolet, jdi od toho, nenech se moc stresovat, buď na pohodu…“. Asi to souvisí i s dostupností věcí a s pocitem, že život se vlastně žije snadno. Naše společnost za posledních 25 let nesmírně zbohatla a s tím souvisí i určité zpohodlnění. Žijeme v bohatství a nadbytku, tak proč bychom se měli snažit? Všechno za nás vyrábějí stroje a my to budeme už jen konzumovat.

O to důležitější mi připadá podpořit lidi tvůrčí, kteří mají snahu něco vytvářet – současně se sociální zodpovědností. Technokrati, k nimž se taky částečně řadím, mají bohužel tu nebezpečnou vlastnost, že si často neuvědomují důsledky svých činů. Říkají si, je to zajímavé, pojďme to zkusit… A jak víme, klíč od brány nebeské otvírá zároveň bránu pekelnou… Na technických školách je ale velmi obtížné aktivně vkládat do studentů vedle technických dovedností i potřebu zamyslet se nad důsledky svého konání. Protože tady je to primárně o technice, ne o člověku.

A co takhle zavést i u vás nějakou filozofii?

Vždycky si z toho dělám legraci, že by to chtělo zavést filozofii strojírenství, ale v prvním ročníku už učíme filozofický předmět Kariéra v inženýrství. Je to opět o lidech – někteří to v sobě mají, jiní ne. Obzvláště motivovaní a talentovaní lidé mívají k mému údivu často ve svém životním příběhu nějaké soukromé nebo rodinné trauma. A ať už je ta bolest jakákoliv, v případě těchto studentů jim propůjčuje oproti povrchní mělkosti výraznou lidskou hloubku. Setkání s takovými studenty je pro mne vždy silným zážitkem. Jdou se svým způsobem nahlížení věcí mnohem dál a mají schopnost většího přesahu a vnímání světa na hlubší úrovni než ti, kteří si žijí celkem v pohodě a nic moc neřeší.

Můžeme té vážnosti na závěr trochu ulomit hrot třeba tím, že mi řeknete nějaký vtip se strojařskou tématikou? 

Znám jeden opravdu dobrý o červené karkulce a vlkovi, ale po pravdě řečeno by si na něm čtenář bez znalosti strojírenského pozadí vylámal zuby, tak snad někdy příště, pokud se ovšem s některými čtenáři setkám, rád jim ho povím osobně.

9. 11. 2018


Vysokootáčkové motory – řešení pro závodní auta i přenosný generátor

Vysokorychlostní motory jsou elektrické motory o vysokých otáčkách. Zatímco standardní motory mají například patnáct set nebo tři tisíce otáček, motory vysokorychlostní mají třeba 50 tisíc otáček. V Ústavu přístrojové a řídicí techniky pražské ČVUT se jejich problematikou zabývá Doc. Ing. Martin Novák, Ph.D.

Kde v praxi se vysokorychlostní motory používají a v čem spočívá přínos tak vysokého počtu otáček?

Výhoda je větší výkon v menším prostoru, takže zařízení je ve výsledku menší a lehčí. A aplikace, kde se to používá, je třeba pohon kompresorů, takže i motor je ve finále hodně malý a malé tak může být i zařízení, které ho využívá.

Můžete být konkrétnější v uvedení rozměrů?

prumysl/pribehy/vom_01.jpgMohu to ukázat na příkladu, kolik wattů se vejde do kilogramu. Obyčejný elektrický motor má tak okolo jednoho až dvou kilogramů na kilowatt výkonu, takže motor s výkonem 100 kilowatt váží třeba dvě stě kilo. Odpovídá to zhruba výkonu auta, které dnes mívá tak 80 až 100 kilowatt a jeho motor váží zhruba dvě stě až tři sta kilogramů. Když uděláte motor na hodně vysoké otáčky, a bavíme se o výkonu např. o 100 tisíc otáček za minutu, tak poměr hmotnost k výkonu je přibližně pětkrát lepší. Do 1 kg hmotnosti tak dostanete asi 5 kW.

V čem spočívá trik zvýšení otáček?

prumysl/pribehy/vom_04.jpgNejprve je potřeba říci, že to není vhodné pro všechny aplikace. Protože jsou aplikace, u kterých potřebujete nízké otáčky, a potom nemá smysl dělat motor na vysoké otáčky a dávat před to ještě převodovku. To, o čem se bavíme, jsou aplikace, kde se dají vysoké otáčky rovnou využít - typicky u kompresoru, který stlačuje vzduch pro spalovací motor v autě. Otáčky budou někde např. okolo 100 až 200 tisíc otáček za minutu a můžete ho připojit přímo, nepotřebujete žádné převody. Ty triky jsou jednak v mechanice a jednak v elektronice. Mechanikou se tak úplně nezabývám, jsem spíše elektrikář a dělám řízení. Mechanika má ale určitě hodně problémů při vysokých otáčkách. Tím největším jsou ložiska – jaká zvolit, aby zařízení vydrželo takhle vysoké otáčky dlouhodobě. A problém představuje i kmitání té mechaniky – hřídele atd., protože většinou pracujete nad vlastní frekvencí kmitání daného motoru. Je tedy nutné ho rychle roztočit, abyste se nedostali do rezonance, a v tom okamžiku musíte vědět, kde ta frekvence je, abyste na ní neskončili.

Čím se mohou ložiska lišit? Jaká je potřeba zvolit?

Existují různé druhy ložisek. Nejběžnější jsou kuličková, jsou ale i válečková, jehlová anebo magnetická, kde mechaniku nahrazuje magnet. Nicméně tady se používají ložiska kuličková, která se ale mohou lišit materiálem. U běžných motorů na nízké otáčky bývají kuličky ocelové, u vysokých otáček se většinou používají keramické, protože keramika má pro vysoké otáčky lepší vlastnosti; je sice křehká, ale pevnější, a to je pro tento případ vhodnější. Takže tam používáme speciální, velmi drahá ložiska, jedno stojí řekněme 8 tisíc korun, ale nezabýváme se konstrukcí těch motorů, děláme elektroniku a řízení.

Jaké je další praktické využití vysokootáčkových motorů?

prumysl/pribehy/vom_03.jpgprumysl/pribehy/vom_02.jpgSpolupracujeme v současné době s firmou, která chce tento motor použít jako pohon kompresoru v autě. Dneska jsou turbokompresory poháněné spalinami: spalovací motor vyrobí nějaké spaliny, ty pohánějí turbínu a turbína pohání kompresor, který stlačuje vzduch, a ten jde zpátky do motoru. Tohle řešení má tu nevýhodu, že řekněme přibližně několik sekund trvá, než se vytvoří výkon postačující k tomu, abyste měli stlačeného vzduchu dostatek. Proto při předjíždění chvíli trvá, než naberete rychlost, potřebnou pro předjetí. Důležitá je u těchto motorů asistence, kdy v onom krátkém okamžiku postrčíte kompresor elektricky.

Takže Formule 1 je na to jak dělaná…

Přesně tak. A právě ta výše zmíněná společnost se zabývá laděním závodních aut a mají velký zájem, takovou věc mít.
Při fakultě působí i tým Formule Student. S těmi nespolupracujete?
Byli se tu z Formule Student podívat, ale není zrovna jednoduché takovou věc vyrobit. Sami neumíme udělat ten celek komplexně tak, abychom měli kompresor i motor. My uděláme motor a k němu řízení, ale mechanické propojení s kompresorem je velice složité a nemáme na to vybavení. Další problém je, že tu elektřinu musíte někde vzít, a výkon, který musíte dodat, je dost velký. To by znamenalo, že by ve Formuli Student museli vozit baterii, vážící třeba 50 kilogramů a víc. Myslím, že v tuhle chvíli se to nevyplatí – tedy pokud nemáte někde elektřinu k dispozici zadarmo.

U zmiňované firmy, s níž spolupracujete, je situace v tomto směru jiná?

Oni už baterie mají a vozí je stejně. Ve studentské formuli – předpokládám – taky nějakou baterii mají, ale ta určitě nedá tak velký výkon, aby mohla kompresor pohánět trvale.

Napadá vás i jiný způsob využití, než jsou závodní auta?

Napadlo nás tuhle funkci obrátit a udělat z toho zařízení generátor, kde by se spaloval třeba plyn a vzniklé spaliny by poháněly třeba vysokorychlostní turbínu, která by poháněla generátor. Podobná zařízení existují, vyrábějí se komerčně pro výkony vyšší než třeba 60 kW, a mají tu výhodu, že díky vysokým otáčkám je to zařízení malé. Naše myšlenka byla zkusit udělat přenosnou jednotku. Dodávala by, řekněme, dva, tři kilowatty elektrické energie, a dala by se použít třeba jako přenosný záložní generátor, který v nouzových situacích přenesete, kam potřebujete. Anebo to udělat jako kogenerační jednotku, kdy byste doma spalovala plyn, který kupujete, a zároveň si vyráběla teplo třeba pro ohřev vody a topení a ještě k tomu byste tu energii, kterou nespotřebujete, prodala. Nemáme to ale v tuhle chvíli rozpracované do podoby nějakého funkčního prototypu.

Probíhá podobný výzkum i někde jinde ve světě?

Konkrétně kogenerační jednotka existuje někde v Holandsku na odnoži univerzity v Eindhovenu. Je postavená na pár kilowatt, což jsou podobné parametry, jaké bychom chtěli i my. Problém ale je, že zatímco oni mají tým 50 inženýrů, kteří se věci věnují na plný úvazek, tady se tomu - mezi výukou, když máme čas - věnujeme já a ještě jeden kolega, takže tomu naprosto nemůžeme konkurovat.

O to obdivuhodnější je, že se přesto občas něco podaří…

Mluvil jsem jenom o té mechanice, ale další část představuje řízení, výkonová elektronika – a těmi se zabývám především. Mechanika je pro nás spíš taková okrajová a motory si stavíme sami především proto, že se nedají koupit, ale není to pro nás ten cíl. Naším cílem je postavit nějakou aplikaci nebo prototyp, a k tomu potřebujeme všechno, takže postavíme mechaniku a na ní potom zkoušíme elektroniku. A v té se najdou velice zajímavé novinky - součástky, které se dají koupit a které třeba před rokem, dvěma nebyly, a umožňují elektroniku ještě dál zmenšit.

Můžete to na něčem konkrétně dokumentovat?

Když jsem s tímhle tématem začínal před řekněme deseti lety, tak nám ta elektronika na výkon, který potřebujeme, vycházela na velikost A4 s výškou tak 30 cm – tedy dost velká krabice. Dnes pracujeme na elektronice s novými součástkami a zdá se, že to dostaneme do objemu tak 10 x 10 cm. V praxi to znamená, že například to, co by se dříve pod kapotu auta nevešlo, se tam dnes už dá dostat. Finální vize našeho současného projektu je, dostat elektroniku, která dříve měla objem 10 litrů, do objemu 0,3 litru. Jestli se nám to povede, ještě nevíme, protože projekt je na úplném počátku, ale zatím to vypadá, že ano.
Spolupracujete i s dalšími firmami v oblasti vysokorychlostních motorů?
V současnosti ne. Není mnoho firem, které by se tím u nás zabývaly. Ani ve světě jich není moc, řekl bych tak deset, patnáct.  U nás by o to taky byl zájem, ale pro každou firmu je problém najít cestu, jak spolupracovat s univerzitou. Protože buďto se podá společný projekt, a pak jsou jeho výsledky víceméně veřejné, protože jsou placené z veřejných peněz. I to by se koneckonců dalo ošetřit smlouvou, ale většina firem nechce spolupracovat se školami proto, že takový projekt znamená obrovskou administrativu, takže musejí mít dalšího člověka, aby vyplňoval formuláře a tabulky. Měli jsme tady několik zájemců o tohle téma, výrobce kompresorů a různé inženýrské firmy, které prodávají řešení na klíč, velké i malé firmy, ale kvůli administrativní zátěži se rozhodly do tohohle projektu nejít.

Je to tak nastavené jen u nás nebo i jinde ve světě?

Po stránce administrativní situaci neznám, vím ale, že například ve Francii funguje spolupráce mezi školami a firmami mnohem lépe. Studenti tam například chodí na praxi do firem povinně, z firem zase jezdí přednášet do škol, a to vzájemné propojení je tam mnohem těsnější. Co se týká projektů, myslím, že to tam bude podobné, že i francouzští kolegové neustále vyplňují nějaké formuláře. S jinými zeměmi zkušenosti nemám.

Spolupracují s vámi na projektu i nějací studenti?

Ano, mám dva doktorandy, kteří spolupracují na tomto tématu, a pak dva magisterské studenty, kteří v rámci projektu dělají na modelu magnetického ložiska, abychom si mohli vyzkoušet, jestli to bude použitelné pro naši aplikaci.

Vím, že taky pořádáte Letní školu robotiky…

Založil jsem ji jako něco, co by mohlo k technice a strojní fakultě obecně přilákat studenty středních škol v předposledním ročníku, kteří se budou brzy rozhodovat, kam půjdou studovat. Cíl byl ukázat, že se na fakultě děje něco zajímavého, aby jim zůstalo v povědomí, že tady je nějaké programování i nějaká robotika, a že tady jsou zajímavé věci, které si můžou vyzkoušet. V podstatě jde o letní kurz programování robotů, které jsou většinou 3D tištěné a vyrábějí je jiní moji studenti v jiných předmětech. Cílem bylo naučit studenta, který nikdy neprogramoval, jednoduché programování, aby robot dělal to, co student chce - třeba jel nebo chodil nebo se otáčel… První rok jsme s nabídkou kurzu aktivně obesílali školy, ale v dalších letech se už zájemci hlásili sami a nikdy jsme neměli problém kurz naplnit. Proběhly už tři ročníky a letos bude ročník čtvrtý.

Překvapili vás někdy účastníci letní školy něčím?

Mě třeba překvapilo, že se tam často hlásili už naši současní studenti nebo studenti elektrotechniky, i když to původně nebyla akce určená pro ně. Říkali, že vlastně nic neprogramují a chtějí si to zkusit, chtějí vidět, že se něco hýbe. Taky si myslím, že už nám to přineslo nějaké studenty, protože třeba na minulých Dnech otevřených dveří už se ke mně hlásili studenti s tím, že u nás byli na Letní škole robotiky a jdou k nám určitě studovat. A další věc – asi to přesáhlo hranice ČR, protože se mi tam loni přihlásil student, který má české rodiče, ale žije v Anglii, a chtěl na tu školu chodit, takže sem kvůli tomu přijel. Teď je u mě na tři měsíce na stáži a zrovna dnes dokončuje velkého humanoidního robota, kterého sestavil.

31. 8. 2018


 

Nanomateriály dnes najdeme všude – od skalpelů po klobásy

S nanomateriály se dnes setkáváme v průmyslu textilním, kosmetickém, potravinářském i automobilovém, ve stavebnictví, zdravotnictví… Jedná se o látky, u kterých alespoň jeden z externích rozměrů nepřesahuje 100 nanometrů, přičemž nanometr odpovídá jedné milióntině milimetru. Ve svých výzkumech se jimi zabývá i vedoucí  Ústavu fyziky Fakulty strojní ČVUT v Praze Ing. Petr Vlčák, Ph. D.

Nanolátky prý – mimo jiné - lépe odolávají zápachu a odpuzují nečistoty, v zubních pastách pomohou při bělení zubů, opalovacím krémům zvýší účinnost UV filtru, Li-on bateriím do elektromobilů zase výkonnost, zvýší i přilnavost pneumatik k vozovce či odolnost autolaků… Už i v myčce aut jsem se setkala s nanoprogramem. Co dodává nanolátkám všechny ty vynikající vlastnosti?

prumysl/pribehy/nano02.pngprumysl/pribehy/nano03.pngZajímavost veškerého „nano“ spočívá v tom, že látky s nanorozměry se chovají jinak, než stejné látky větších rozměrů. Například když si vezmete ferritový nanoprášek, bude se chovat jinak, než stejný prášek s částicemi běžných rozměrů. Ferit na vzduchu okamžitě oxiduje a zkoroduje. Jeho nanoprášek však na vzduchu samovolně shoří. Právě odlišnosti ve fyzikálně-chemických vlastnostech činní látky v nanoměřítku velmi atraktivní v mnoha oborech lidské činnosti. S ohledem na aplikace je lze rozdělit do několika generací. Uživatelsky zajímavé jsou pasivní a aktivní nanomateriály. Běžně se můžeme setkávat s výrobky s pasivními nanostrukturami, jako jsou například nanočástice, nanopovlaky a nanostrukturované materiály a kompozity na bázi kovů, keramiky a polymerů, jejichž vlastnosti a dopady na funkci jsou v čase stabilní.

Můžete uvést nějaké příklady takových výrobků?                                  

Vezměme například keramiku, která je obecně velice tvrdá. U keramických implantátů je ale z toho plynoucí vysoké tření nežádoucí, protože zuby a klouby pak skřípají, i když jinak představuje keramika materiál opravdu odolný a inertní, takže se do těla v některých případech velice hodí. Implantací vhodného prvku do keramického materiálu ale dojde k rozrušení vazeb a k jeho změkčení v tenoučké vrstvě, zatímco ostatní vlastnosti podkladu zůstanou. Na rozdíl od kovů, kde je žádoucí vytvrzení materiálu, jehož povrch se implantací iontů stává naopak odolnějším, což může několikanásobně prodloužit třeba životnost obráběcích nástrojů. Využíváme k tomu implantaci dusíkových iontů s energiemi desítky kiloelektronvoltů. Máme i zařízení pracující s ionty s nízkými energiemi do jednoho kiloelektronvoltu, ale to využíváme na jiné účely než na implantaci, protože vlastnosti materiálu, ovlivněné ionty s takto malou energií, by se speciálně v běžných podmínkách klasického strojírenství neprojevily v dostatečné míře.  

A příklady aktivních nanomateriálů?

Ty jsou velice perspektivní. Sem patří například nosiče léčiv, umělé tkáně, součástky chytré nanoelektroniky… Typické pro ně je, že jsou schopné své vlastnosti a z toho plynoucí funkci v čase měnit. Jedná se většinou o nanostrukturované materiály se složitou architekturou, jako jsou například nanokompozity s piezoelektrickými nanočásticemi oxidu zinečnatého v polymerní matrici pro aktivní regeneraci nervových tkání. Ultrazvukem je možné opakovaně vyvolat mechanickou deformaci nanočástic oxidu zinečnatého, který následně elektrickým stimulem vytváří prostředí pro intenzivní regeneraci nervové tkáně. Takovýto nanomateriál tedy může plnit jak funkci mechanickou v podobě chybějící nosné tkáně tak funkci terapeutickou pro regeneraci nervové tkáně.   

Čím se z toho všeho zabývá váš výzkum?

Výzkumná skupina, kterou vedu, se zabývá nanopovrchy. Nejde o výzkum v historii Fakulty strojní nijak starý, protože v minulosti tu chybělo potřebné technické vybavení, za minulého režimu se dbalo spíše na výuku fyziky. Výzkum tady začal, až když do ústavu přišli zaměstnanci orientovaní více prakticky. S ohledem na jejich odborné zaměření a na možnosti přístrojového vybavení se u nás vyvinul výzkum nanotechnologií z pohledu povrchů a jejich modifikací iontovými svazky. V souladu  s vývojovými trendy v oblasti nanotechnologií se u nás rozrostlo i vytváření tenkých vrstev a nanostrukturovaných povlaků, které mají technicky zajímavé vlastnosti, jako je nízký koeficient tření, vysoká odolnost proti korozi a opotřebení nebo speciální optické vlastnosti. A když takový nanomateriál vytvoříme v povrchu nebo ho na povrch naneseme, je schopen propůjčit své vlastnosti povrchu podkladového materiálu. 

Řekl jste „vrstva a povlak“. Není to tedy jedno a totéž?

Povlak je pro nás na povrch součásti nanesená vrstva materiálu, která je natolik tlustá, že se uplatňují převážně vlastnosti povlaku. Zatímco vrstva sama o sobě může znamenat jen ovlivněnou vrstvu povrchové oblasti modifikovaného materiálu, jehož součástí se stává. Vlastnosti vrstev jsou pak podstatným způsobem ovlivňovány přechodovou oblastí a základním materiálem. My se zabýváme vytvářením takových vrstev, a to obohacováním základního materiálu technicky významným prvkem pomocí iontové implantace. Následně tak může dojít například k vytvrzení materiálu nebo naopak k jeho změkčení apod.  

Dají se implantovat i jiné prvky než dusík?

Dají, ale v technické praxi má jedno z největších využití právě nitridace, a iontová implantace dusíku je nekonvenční, moderní forma nitridace, prováděná na úrovni kinetické interakce urychlených iontů s atomy základního materiálu. Díky tomu se při tvorbě nitridů projevují procesy, které se při klasické nitridaci neprojeví, což má v mnoha případech velice zajímavý efekt. Největším konkurentem nitridace obecně je nanášení nitridu titanu, což je nejběžnější povlak a zároveň jeden z nejstarších. Mohlo by se zdát, že byl překonán nezadržitelným vývojem, protože existují daleko vyspělejší povlaky.  Přesto tento základní typ je aktuální a v rámci materiálových inovací probíhá i výzkum jeho vylepšených vlastností.  Ale implantováním dusíku například do titanu a titanových slitin, nevytváříme na povrchu materiálu povlak; ten by mohl mít špatné adhezní vlastnosti a mohl by na součástce časem odprýsknout. Implantací iontů vytváříme místo povlaku ovlivněnou oblast, která je součástí daného materiálu. Využívá se toho například při vytvrzování forem lisů, v zařízeních pro přesnou a jemnou optiku, pro zlepšení povrchových vlastností chirurgických implantátů, ale i skalpelů atd.

Na stránkách fakulty se o vašem ústavu píše, že oč menší jste, o to větší vědecko-výzkumné výsledky máte…

Obecně cítím nedůvěru ke statistikám, protože s údaji lze snadno manipulovat, a taky bych chtěl být soudný a pokorný ve sdělování informací. Je ale pravda, že nejen výsledky vědecko-výzkumné, ale i výkony pedagogické máme poměrně vysoké, protože fyzika je základ techniky, takže my vyučujeme fyziku pro všechny obory, které na fakultě jsou. Naší výukou díky tomu projdou i ti, kdo školu nedokončí. Pokud by tedy došlo k přepočtu na pracovníka, budeme jedni z nejaktivnějších.
Ačkoli jste škola, většina ústavů fakulty zároveň spolupracuje s různými firmami a vyvíjí tak i určitou komerční činnost…
Jsme na technické škole, probíhá tady výzkum, aplikovaný výzkum a komercionalizace výsledků výzkumu, kterým vy říkáte komerční činnost, i když já se tomu slovu bráním. My, jak už jsem řekl, zajišťujeme základní výuku, na které ostatní ústavy staví další specializace. Kromě toho máme i doktorský program a teď se po akreditaci budeme podílet i na navazujícím magisterském studiu, což jsme dosud neměli. Máme proto relativně dál k aplikovanému výzkumu a k firmám, které chtějí řešit rychle konkrétní úkol – na rozdíl od jiných ústavů, zabývajících se více aplikovaným výzkumem. Některé z nich pak ale zase na rozdíl od nás mají problém s objemem základního výzkumu. Přesto i na našem ústavu jsou zastoupeny všechny tři zmíněné aktivity. Ve spolupráci s firmami jsme aktuálně řešili návrh vhodného povlakovacího zařízení nebo například kalibraci senzorů a membrán.

Dá se nějak vyjádřit potenciál nanotechnologií do budoucna?

Nanotechnologie je jeden z oborů, který má neobyčejnou šíři. My se jí zabýváme jen z velice úzkého segmentu, ale nanotechnologie jsou dnes obsažené prakticky všude. Leccos už jsem zmínil, nanoprášky možná vnesou nové možnosti i do oblasti 3D tisku nebo biomedicíny… Velký potenciál do budoucna mají aktivní nanostruktury například v podobě nosičů léků, jejich zásadní objevy se ale teprve očekávají. A víte, že nanočástice se používají i v potravinách? Třeba oxid křemičitý SiO2 se používá v mnoha u nás prodávaných potravinách, které pak nesou na etiketě označení E551. Tato protispékavá látka pohlcuje vodu a je například součástí prášku do pečiva, sypkého koření, jedlé soli, kapučína a dalších.

Říkáte v potravinách… Může to být nebezpečné?

Nanomateriály a nanotechnologie jsou jedním z nejrychleji se rozvíjejících oborů. Rychlost, s jakou se nanomateriály vyvíjejí od laboratorních konceptů po využití ve výrobcích, je nebývale velká. Řada vlastností není dosud známa stejně jako dopady na zdravotní stav z pohledu dlouhodobého působení. I z těchto důvodů v současné době neexistuje potřebná legislativa, která by se týkala bezpečnosti v oblasti nanotechnologií a manipulace s nanomateriály. Proto je zachováván princip předběžné opatrnosti, v rámci kterého jsou očekávána možná negativa vždy a provedena všechna opatření pro eliminaci rizik.  Bezpečnosti a rizikům se celosvětově věnují různé organizace jako např. Environmental Protection Agency of the United States of America (US-EPA), Organisation for Economic Co-operation and Development (OECD) a Food Standard Agency (FSA). 

14. 6. 2018


 

CERN je pro studenty strojařiny úžasná příležitost

Tvrdí to doc. Ing. Václav Vacek, CSc., informační manažer Ústavu fyziky Fakulty strojní ČVUT v Praze. Ví, o čem mluví. Do CERN - Evropské laboratoře částicové fyziky se sídlem v Ženevě - dojíždí přinejmenším jednou měsíčně už téměř čtvrt století. Stavbu 27 kilometrů dlouhého urychlovače částic, vůbec největšího na světě, který rozšířil povědomí o CERN i mezi laiky, zažil od samých počátků. Patří mezi ty, kdo na Fakultě strojní vyhledávají studenty, kteří by mohli mít na to v CERNu uspět. 

Proč právě pro strojaře představuje CERN takovou příležitost?

prumysl/pribehy/cern-2013.jpgV CERNu se realizuje řada velkých experimentů. Hlavním je LHC urychlovač, a pak čtyři další velké experimenty - detektory Atlas, CMS, LHCb a Alice, z nichž každý detekuje trošku jiné částice. Urychlovač si můžete představit jako tunel metra, kde jsou instalovány super vodivé magnety, které urychlují subatomové částice, konkrétně protony. V každé čtvrtině toho obrovského LHC prstence je postavený detektor, zaměřený jen na nějaké malé částice svého druhu. Dva velké detektory - Atlas a CMS – experimentálně prokázaly v roce 2012 existenci speciální částice, tzv. Higgsova bosonu. To je ta poslední elementární částice, která chyběla do teoretického popisu tzv. Standardního modelu. Na všech těch experimentech jsme se s naší skupinou postupně zúčastnili nějakým malým podílem a neznám lepší projekt z aplikované fyziky a potažmo i strojařiny, než jsou tyto velké detektory elementárních částic.

Vezměte si třeba Atlas a představte si ho jako obrovskou pětipatrovou budovu, která má sedm tisíc tun, a je naplněná jedinečnou a velice drahou elektronikou, vyvinutou pro tenhle účel - a všechna ta elektronika musí být nějak rozmístěna, držena, tvořit definované geometrické celky… Takže tam se uplatní každý strojař, zvláště při výstavbě. Navíc se tohle všecko muselo postavit a rozebrané po částech poslat poměrně malým tubusem 100 metrů pod zem, kde je vybudovaný vlastní urychlovač. Pod zemí jsou pak pro experiment ATLAS vybudované obrovské podzemní prostory, kde se musí všechno sestavit z částí, které se vešly do toho tubusu, což je zase logistický problém. A protože v době výstavby detektorů bylo v CERNu málo lidí, tak - podobně jako se tady dřív chodilo na brigády – tak i fyzikové museli sejít dolů a montovat nějaké jednodušší věci, které jim přidělili, i když svým zaměřením nejsou trénovaní na inženýrskou rovinu problémů. 

Takže pro studenty je to úžasná příležitost vidět vznikat něco takhle unikátního, setkat se s lidmi z celého světa, poměřit své schopnosti, podívat se, jak to dělají jiní, a taky se lépe vybavit jazykově. Proto posledních dvacet let je náš tým tvořen v podstatě jenom doktorandy, diplomanty a bakaláři, a jen v malé míře se ho účastní kolegové.

Vy dojíždíte do CERN už od chvíle, kdy se ČR v roce 1993 stala jeho členským státem?

Dostal jsem se tam řízením osudu těsně po tom. Hledali jsme nějakou realizaci, které bychom se mohli v CERNu věnovat a nějak jí přispět. Tehdy jsem se zabýval záležitostmi, souvisejícími s výzkumem termodynamických vlastností tekutin, a zrovna bylo potřeba vyvíjet speciální chladicí systémy pro elektroniku, což s termodynamikou souvisí. Navíc „termo“ bylo míň obsazené… Musíme si uvědomit, že do CERNu jezdí hlavně „čistí“ fyzikové měřit a s naměřenými daty dále pracovat, zatímco my „aplikovaní“ fyzikové ta experimentální zařízení stavíme.

Jak dlouho trvala stavba urychlovače?

Stavěl se od roku 1995 a spouštěl se poprvé v září 2008, takže experiment se budoval třináct, čtrnáct let, než vydal první výsledek. Na jednom experimentu v CERN se přitom podílí tak čtyři, pět tisíc lidí. Těch pět tisíc lidí tam samozřejmě nesedí, na jednom experimentu tam sedí pár desítek lidí, ostatní dojíždějí. A hlavně děláme doma a pro vzájemnou komunikaci stále více používáme telekonference, které se rozšířily díky webovským službám a jazyku html. Ten mimochodem za účelem vzájemné komunikace vynalezli fyzikové CERNu – aby si na dálku mohli vyměňovat informace nejen podle jmen souborů, ale posílat si taky obrázky, texty, přesné výkresy… 

Na chodbě před ústavem jsem viděla seznam těch nejlepších a nejúspěšnějších z vašich studentů včetně názvů jejich prací pro CERN i jiné renomované zahraniční vědecké instituce či firmy a včetně ocenění, která za ně získali. Jak poznáte, že zrovna ten či onen student má potenciál uspět v CERN?

Vybírám si je během kurzu fyziky na této škole. Mají přednášky, semináře a laboratoře, takže když s nimi komunikujete, někoho šikovného si určitě vytipujete. Dříve to bylo snazší, teď je to čím dál obtížnější. Jsou tak trochu pohodlní. Mají maminku, tatínka, ti je většinou živí, vyperou jim, uvaří…, zatímco když někam vyjedou, musejí si všechno obstarat sami. Chceš tady pracovat? Bezva, tak přijď zítra v devět a ubytování si někde sežeň, máš tady inzeráty… Kolem roku 1990 studenti ještě vyjížděli rádi, protože je neposílám na experimenty jen do CERN, ale i do Spojených států, do Itálie, do Francie… Postupně se to ale změnilo a dnes mají tendenci říkat – no já se tam teda podívám… Mnozí jsou přitom vůči sobě velmi nekritičtí a velmi nepokorní a je složitý problém je přinutit k nějaké déle trvající spolupráci a komunikaci. Jako jedinec ovšem nemáte šanci se v CERN prosadit, musíte se zařadit do nějakého týmu. Když se to ale podaří, je to ta nejlepší věc, co ty kluky může v životě potkat. A když se to nepodaří, kolektiv je postupně vyplaví jako nechtěný element.

Platí i v CERNu, že je těžší se tam prosadit, když jste „jenom“ Čech?

Když přijede někdo z Oxfordu, máte historicky danou určitou záruku, že to asi nemůže být úplný hlupák. Když vás ale nikdo nezná, chvilku trvá, než vás začnou brát vážně. Musíte minimálně každého čtvrt roku do CERN jezdit a předvést nějaký pokrok ve své práci, ukázat, že vám ty věci fungují, že experimentálně sedí s teorií, kterou jste vytvořila. Co jste udělali za zhruba poslední tři měsíce, se většinou přednáší v dvacetiminutových exposé před 40 až 60 lidmi a kdokoli může kdykoli vstát a zeptat se vás na cokoli – a vy se z toho musíte nějak dostat. A když vám objeví chybu, je dobré říci ano, děkuji za připomínku, opravíme to. To je potřeba, pokud se chcete posunout dál. A samozřejmě se vás jako nováčka párkrát cvičně pokusí vykoupat a je tedy potřeba vydržet, dělat věci pečlivě, zodpovědně, nefixlovat, neohýbat data, aby to vyšlo… Ale když vydržíte dostatečně dlouho, rejpavé dotazy časem přestanou a ptají se vás už odborně. A končí to tak, že když dneska v CERNu potřebují udělat něco v oboru, který zahrnuje i termodynamiku a inženýrská přejímací měření anebo návrh nějakého specializovaného zařízení, sloužícího třeba k chlazení, chodí za námi už sami. Zvláště ty první dva tři roky byly dost těžké, museli jsme brát všechno, ale dnes už si můžu dovolit říci – tohle dělat nebudu, na to je mých kluků škoda. 

Komu váš tým v CERN podléhá?

CERN jako takový není žádný klasický výzkumný ústav, kde je ředitel, který má náměstky a velí, má spíše horizontální strukturu. Lidé jsou do určitých funkcí navoleni a nemůžou přikazovat, ale musejí ostatní přesvědčit, aby výzkum postupoval potřebným směrem. Takže o zapojení do práce v CERNu rozhoduje každý sám a míra jeho odhodlání prověřit své schopnosti v účasti na technicky náročném projetu v mezinárodní konkurenci. A jako v každé společnosti i tady je vždycky část lidí, kteří o práci jen tlachají, i část těch, co opravdu dělají a dotahují věci do konce. Proto je velmi zdravé, že zhruba čtyřikrát ročně se tam konají různé workshopy, konference nebo kontrolní dny, kde se každý podle různých sekcí zpovídá z toho, co vytvořil za uplynulý čtvrtrok. A když práci kamuflujete a výsledky z vás nepadají, nechají vás párkrát se vypovídat, a pak už vás nikdo neposlouchá. Můžete tam dál jezdit, pokud vám to někdo profinancuje, moudře diskutovat nad kafem, ale v podstatě už jste se vyřadili z kolektivu, už vás nikdo nebere vážně a nic pořádného vám nezadá. Těch padesát, šedesát procent lidí, co odvádějí nějaký výkon, samozřejmě prezentuje svoje výsledky pravidelně, a pozná se, jestli jde o cizí práci nebo o to, na čem opravdu dělá. Najdou se tam i takoví ti profesionální prezentovači, jak jim říkám, kteří mají dar přesvědčit téměř kohokoli o čemkoli. Stačí ale jeden dobře cílený dotaz a ono se jim to celé zhroutí. Zatímco prezentovat něco, co jste vytvořili a opravdu to funguje, je radost. To se vás pak může zeptat kdokoli na cokoli. To je ten rozdílný pocit, když za vámi jsou prokazatelné výsledky, anebo když za vámi nejsou a snažíte se to nějak „okecat“. I to je, myslím, pro ty kluky přínosné a nesmírně zdravé tohle vidět.

A případný výdělek?

Ty, kteří jsou opravdu dobří, už si pak zvou na různé projekty přímo z CERNu – a to si pak ti kluci i dobře vydělají. A když vezmete v úvahu, jaké stipendium má český doktorand – donedávna 7500 měsíčně a nově 10500… To si pak můžeme pískat, jak chceme, fandit si, jak jsme dobří, ale nejsme! Nikde jsem se na žádné slušné univerzitě po světě – a že jsem jich prošel – nesetkal s tím, aby doktorand měl z existenčních důvodů ještě jedno nebo dvě další zaměstnání navíc často i mimo obor studia. To pak nemůže za ty čtyři roky stihnout udělat práci v kvalitě, která je potřebná, aby škola měla patřičné renomé. Takže spousta doktorandů končí s nulovým výsledkem, protože musí nějak živit rodinu.

Asi nelze očekávat, že by hlasy všech zainteresovaných zemí měly v CERN stejnou váhu, že?

CERN vznikl v roce 1954 a dnes už máme 22 členských zemí a 7 přidružených, a ty přispívají na základě svého HDP nějakým podílem k rozpočtu této organizace. Má-li země vysoké HDP, přispívá vysokým podílem. Příspěvek ČR se pohybujeme kolem jednoho procenta rozpočtu CERNu. A když někdo platí více, tak taky chce, aby jeho slovo bylo více slyšet. Takže když někdo přijede z Německa, Francie, z Velké Británie, ze zemí, které platí výrazně více než patnáct procent, tak marná sláva… Ale pro mladé lidi je to fantastické místo – asi nejlepší v Evropě, protože tam se můžou věnovat mnoha profesím od materiálového inženýrství, přes informatiku, chlazení, mechanické konstrukce, plynové hospodářství atd. až po elektroniku… Cokoli si umíte představit. Jednoduše řečeno - při stavbě experimentálních zařízení, o nichž si tady povídáme, se vždycky najde zajímavý projekt pro jakéhokoli strojaře, který není ignorantem a má trochu schopnosti přesáhnout svůj obor. Je málo takových komplexních projektů.

24. 5. 2018


 

Emise zabijí desateronásobně víc lidí než dopravní nehody

Sotva by někoho napadlo, že skútr či křovinořez vyprodukují často více velmi jemných částic, než za stejnou dobu vypustí autobus. Vím to od doc. Michala Vojtíška  Ph.D., M.Sc. z Výzkumného centra spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka v Roztokách. Výzkumu emisí, s nímž začal na univerzitě v Pittsburghu, se věnuje už dvacet let. 

Zveřejnil jste údaj, že jen v EU zabijí emise přes 400 tisíc lidí ročně – více než dopravní nehody…

Přes 400 tisíc mrtvých je jen v důsledku uvolněných částic. K tomu připočtěte dalších 100 až 200 tisíc na konto účinku oxidu dusíku.

Jaký podíl na tom má samotná doprava?

pracoviste/12201/detekce_castic_emise.pngTo nevíme přesně. Máme statistiky o tom, co doprava vyprodukuje, ale je otázka, kde to vyprodukuje. Když kilogram něčeho vypustím z elektrárny v Mělníku 100 metrů nad zemí, rozptýlí se to v ovzduší a velká část popadá do polí, což je něco docela jiného, než když auta projíždějí ulicemi Prahy a emise působí na lidský organismus z bezprostřední blízkosti a ve větší koncentraci. Řekl bych proto, že většina předčasných úmrtí jde na konto dopravy. Problém přitom představuje i lodní doprava, protože emisní limity platí vždy jen pro rok, kdy jsou motory vyrobené, takže pokud se používají lodě z dob, kdy žádné limity nebyly… Nejstarší lodní motory přitom máme z 19. století.

Vím z vašich článků, že jedna věc jsou údaje o produkovaných emisích získané v laboratoři, a jiné bývají hodnoty v praxi. Čím to?

V provozu jsou emise vyšší, protože se zde projevují další aspekty.

A ty nejde brát v úvahu už při laboratorním výzkumu?

Často je výrobce nechce do výzkumu zahrnout, takže v tzv. provozních režimech, které nejsou součástí výzkumu, jsou pak emise jiné. My ale v rámci našeho výzkumu studujeme emise během provozu. Stavíme si na to vlastní zařízení a měříme i některé látky, které zatím legislativa nesleduje. Udělali jsme větší studii skutečného dopadu zemního plynu na emise. Devět vozů jsme měřili jak v laboratoři, tak během jízdy po Praze. Na to dokonce existuje evropská legislativa a jako součást tzv. typového schválení se nově emise měří i za provozu.

Takže měřicí přístroje naložíte do auta nebo na motorku?

Dříve by to mnohdy ani nešlo, protože ty aparatury mívaly okolo 100 kilogramů. Když se ale v laboratořích výzkumného centra Evropské komise debatovalo o emisních limitech pro malé motocykly, které dokáží vyprodukovat někdy i více emisních látek než autobus, zkonstruovali jsme pro EK zařízení, které uzvednete jednou rukou – vůbec nejmenší zařízení toho druhu, které existuje. To je ale jen jedna část výzkumu, tu další představuje studium toxických účinků výfukových plynů na lidský organizmus. Ten ovšem nelze provádět na lidech, takže se provádí na buňkách, odebraných z plic a na lidské DNA. My toxikologickou laboratoř nemáme, ale využíváme laboratoř Ústavu experimentální medicíny na Akademii věd.

A nejde do výzkumu zapojit například lidi, žijící v domech podél magistrály apod.?

Samozřejmě ano, dopadem znečištěného ovzduší na lidské zdraví se zabývá právě Ústav experimentální medicíny. A z několika desítek studií výzkumníků z celého světa vyplývá, že dlouhodobý pobyt v blízkosti frekventovaných křižovatek a silnic je spojený se statisticky vyšším výskytem řady onemocnění – astma, chronická onemocnění dýchacích cest, vyšší riziko infarktu, Parkinsonova a Alzheimerova choroba… Částice, o kterých mluvíme, jsou totiž tak malé, že pronikají do plicních sklípků, a rakovinotvorné látky, které jsou na nich navázané, se tak dostanou do krevního oběhu. Podle dr. Šráma z Ústavu experimentální medicíny to ovlivňuje i genetickou informaci, která se přenáší dál na jednu, dvě další generace.

Takže žalovat Volkswagen v rámci emisní aféry by měly spíš celé státy než jednotliví uživatelé…

Taky je ve Spojených státech zažalovala přímo federální vláda za ohrožení lidského zdraví a spolčení proti USA. Naproti tomu jednotliví majitelé vozů, kteří podávají žaloby, se cítí podvedeni, protože chtějí přispívat ke snižování emisí skleníkových plynů, a mysleli, že když vůz splňuje emisní limity…

Nemůže ale VW argumentovat tím, že k něčemu dospěli v laboratoři, ale praxe ukazuje, že se parametry v provozu liší?

Co se emisí za provozu týká, jsou tři oblasti, které mají na situaci vliv: Za prvé – mnohým automobilkám na tom často nezáleží, takže upřednostní vyšší výkon motoru nebo lepší odezvu oproti emisím tam, kde se nikdo nedívá. Za druhé platí, že v laboratoři jsou nějaké simulované podmínky, zatímco realita může být jiná. Lišit se může teplota, kdy za nižších teplot jsou pak emise vyšší. Vyšší emise bývají i při extrémních jízdních režimech, při popojíždění v koloně… Reálný svět je mnohem složitější než laboratoř. A za třetí – všechny motory v našem ústavu jsou udržované předepsaným způsobem. Jenže řada lidí si koupí starší vůz, neprovádějí žádnou údržbu, a i když slyší, že motor tluče, vidí, že kouří, ale ještě jede, tak s tím pořád jezdí. A přidal bych sem i záměrně způsobené závady.

Jaké to jsou?

Například vůz, původně vybavený filtrem částic, který majitel odstraní, protože si myslí, že mu to zvýší výkon, nebo sníží spotřebu… Filtr je přitom tak účinný, že za ním je vzduch čistší, než ten v okolním prostředí. Za pár tisíc korun se dá taky zvýšit výkon motoru tak, že se jednoduchým způsobem vynásobí dávkování paliva třeba o čtvrtinu. Při vyšších výkonech pak ale není dost vzduchu na to, aby se palivo spálilo, takže se filtr zanáší a motor kouří. A tak filtr jde pryč… Většina selhání filtru částic vzniká z důvodu nějakého problému na motoru, nikoli filtru samotného. Proto další výzkum, který děláme pro Prahu, je měření emisí podél silnic. Snažíme se nalézt vozidla, která mají příliš vysoké emise částic.

Zjišťujete snad konkrétní auta?

Zjišťujeme, o jak velký problém se jedná a jaký podíl na celkovém objemu emisí mají konkrétní vozy. A protože existují velmi odlišné odhady, lišící se v řádu desítek procent, zjišťujeme, na čem jsme a jestli se tímto způsobem dají vozy se zvýšenými emisemi nalézt.

Takže teoreticky by se pak dali pokutovat řidiči za zvýšené emise stejně jako za vysokou rychlost?

K tomu chybí legislativa. Policie vás zatím může jen zastavit a poslat na technickou kontrolu.  Je ale známo, že na STK projdou i vozidla, která by projít neměla… Ovšem kdyby se emise měřily ve stejné míře, jako rychlost, jednalo by se o práci s tzv. velkými daty. A protože ministerstvo dopravy má záznamy o tom, kdy bylo které vozidlo na technické kontrole a s jakým výsledkem, tak kdyby se evidovalo i to, jaké emise vozidlo skutečně má, zjistilo by se, že některými konkrétními STK procházejí auta, která mají vysoké emise, a na ně by se mohly zaměřit kontroly. Cílem ovšem není represe, ale aby si lidé dali auta do pořádku. Beru to jako menší zlo v situaci, kdy je stav ovzduší špatný a zákonné limity pro koncentrace částic jsou překročeny. Samotné limity přitom představují několikanásobek toho, co doporučuje Světová zdravotnická organizace. Škody na lidském zdraví jsou tudíž ohromné – podle odhadů Světové banky 5% HDP, což znamená, že ze 100 korun, které společnost vytvoří, jde 5 korun na škody, vzniklé v důsledku znečištěného ovzduší.  Proto se některá města snaží spalovací motory zakázat. Takže máme dvě možnosti: buďto si my lidé dáme motory obecně do pořádku nebo si je budeme muset zakázat.

V čem byste hledal řešení? V úpravě legislativy? Ve větší uvědomělosti lidí? 

Když někdo říká „Zakažme naftové motory“, tak problém představují především naftové motory osobních automobilů. Protože porovnáváme-li nedávno vyrobené autobusy a automobily, tak já si na cestu třeba odsud do Dejvic vezmu raději autobus, protože palivo se rozpočítá na několik dalších desítek cestujících. Emise rizikových látek jsou tady navíc nižší nejen takto rozpočteny, ale i absolutně; naftový autobus totiž může na kilometr jízdy vyprodukovat méně rizikových látek než naftový automobil. To se ale týká jen nových technologií několika posledních let.

Myslíte, že je reálný rychlý odklon od spalovacích motorů a přechod například k elektrickým?

Bydlím v Hradci Králové a třeba dnes jsem jel do Prahy kromě posledních tří kilometrů vlastně celou cestu jen na elektrický pohon. Jel jsem stošedesátikilometrovou rychlostí vlakem, popíjel si kávičku, pracoval na počítači a spotřeboval při tom na celou cestu 2 až 3 kilowatthodiny. Kdyby měl ten vlak pohon na naftu, spotřeboval bych na tu cestu asi půl litru nafty – počítáno tak, že kdyby všichni cestující přišli a každý nalil půl litru nafty do lokomotivy, tak by na to vlak dojel do Prahy.

Zkusil už někdo spočítat, o kolik víc elektřiny by se muselo vyrobit, kdybychom chtěli přejít od spalovacích motorů na elektrický pohon? To je řece taky nějaký druh zátěže…

Také jsem na to téma psal studii. Vyšlo mi, že i kdybychom v elektrárnách spalovali uhlí, spíše bychom si pomohli. Emise by byly vyšší, ale ne uprostřed ulic. A velice by záleželo na tom, jak by jednotliví motoristé a provozovatelé elektráren udržovali svá zařízení, aby produkovala nejnižší možné emise. Pokud chce dnes někdo jezdit na elektřinu, musí vynaložit nemalé finance na nákup elektrického vozidla, ale běžný občan může jet na elektřinu tak, že na elektrickém kole dojede na nádraží.  Já i na většinu služebních cest jezdím vlakem.

Tvrdíte, že emise zabijí více lidí, než dopravní nehody. O hodně víc?

Asi desetkrát víc.

A co statistiky nejšpinavějších a naopak nejčistších míst v Evropě?

Tady jsou dva důležité faktory. Jeden je celkový přístup k problému a emise, druhý rozptylové podmínky. Některá města – ať dělají, co dělají – tak mají problém. Obecně s emisemi a s kvalitou ovzduší jsou na tom nejlépe Švýcarsko a skandinávské země, a pak vzdálenější venkov. A co se týče nejhorších regionů, tak když vezmeme koncentrace benzo[a]pyrenu, příkladové rakovinotvorné látky, nejhorší v Evropě je Ostravsko a přilehlá část Polska. Tam je to o spalování uhlí v průmyslu i o topeništích doma. Vezmeme-li smog, kde je to hodně o ozónu a intenzivním slunečním svitu, tak druhou takovou oblastí je jižní Evropa tam, kde stav vozového parku není nejlepší a po městě jezdí mnoho malých motocyklů. Malé motory obecně jsou na tom emisně špatně. Třeba částice vyprodukuje motor sekačky nebo křovinořezu více než autobus za hodinu provozu.  A to ho má uživatel tak metr od hlavy… Tady by, myslím, byly elektrické pohony na místě.

Vidím, že měříte emise skoro u všeho…

Proto mě někteří kolegové nazývají ekoativistou. Já si ale myslím, že spalovací motory by se měly využívat rozumným způsobem, a když je tady problém s dopadem na lidské zdraví, tak pokud existuje technologické řešení relativně dostupné a levné, mělo by se využívat.

Vynechali jsme zatím kapitolu letadla versus emise…

Letecká doprava je obecně problém, kde kromě měření emisí se zkouší i různá paliva, která by nahradila ta současná. U malých leteckých motorů jsou emise poměrně vysoké, ale velké proudové motory – tedy komerční letecká doprava – tam si výrobci začali emise hlídat sami, protože existuje mezinárodní dohoda o měření velmi malých částic z leteckých motorů. A řekl bych, že letecké motory jsou vzorně udržované, protože tam je obrovská motivace, aby spalování bylo co nejúčinnější a spotřeba paliva co nejnižší. Velký problém leteckého provozu naopak představuje motorizovaná doprava na veřejné straně letiště a všechny stroje na podpůrné straně letiště.

Do jaké míry by změna paliva mohla řešit problém spalovacích motorů?

Co se týče emisí rizikových látek, existují alternativní paliva, která emise snižují. Spíš ale vidím přínos v tom, že místo aby se dovážela ropa z často politicky rizikových oblastí, tak alespoň část paliva by se mohla vyprodukovat z místních zdrojů. Bylo by to dobré pro ekonomiku a byli bychom méně závislí na dovezené energii. Dá se používat bionafta v naftových motorech a etanol v benzínových, nadějné je použití bioplynu.

A co říkáte na to, že někteří lidé jezdí na použitý fritovací olej?

S tím jsou spojené určité problémy. Dělali jsme výzkum pro americkou firmu, která vyráběla přestavbové sady na naftové motory, aby spíše nadšenci, kterých je docela hodně, mohli jezdit na použitý fritovací olej. Je tu ale zásadní problém, že do něj jsou v restauracích schopní nalít i jakýkoli jiný odpad, který tam nepatří a může motor poškodit. Vím o vozovém parku, kde provozovali nákladní vozy na fritovací olej, a říkali: „Ano, občas je natolik špatné palivo, že máme závadu na motoru a jde o dost nákladné opravy. Ani tak to ale není dražší, než provoz na naftu, protože použité oleje bývají prakticky zadarmo.“  I když teď už to tak docela neplatí, protože se z nich prý vyrábějí krmiva pro zvířata. A když zvířata onemocní rakovinou, je to těžko zjistitelné a hlavně nemají tak dobré právníky, jako my lidé…

15. 2. 2018


 

I koroze může být krásná

Autoři: Ing. Michal Zoubek, doc. Ing. Viktor Kreibich, CSc. – Ústav strojírenské technologie, Fakulta strojní ČVUT v Praze

Pojem koroze je většinou spojený s něčím negativním, čemu je potřeba zabránit ať už z důvodu zachování únosnosti konstrukce, zabezpečení správné funkce zařízení, jeho spolehlivosti, bezpečnosti či pouze z estetických důvodů. Korozním inženýrům jsou však známy případy, kdy je naopak koroze žádoucí, ať už např. u anodické oxidace hliníku, katodické či anodické ochraně funkčních celků nebo v případě tvorby patiny u mědi či ocelí se zvýšenou odolností proti atmosférické korozi.

prumysl/pribehy/koroze01.pngV případě těchto ocelí označovaných též patinující, umožňuje výsledný korozní produkt za předpokladu správného vývoje patiny, přijatelné korozní agresivity prostředí a při správném konstrukčním řešení dostatečnou protikorozní ochranu po dobu své životnosti. Masivní rozmach použití těchto ocelí nastal především v období 70. a 80. let, kdy se jednalo především o využití v energetice pro konstrukce stožárů přenosové soustavy, pro stavbu konstrukcí, lodních kontejnerů a také konstrukcí mostů. Vzhledem k estetickým vlastnostem patintujících ocelí a v příznivých podmínkách i snížení nákladů v případě nahrazení povlakované konstrukce, se lze s těmito materiály běžně setkat i na opláštění budov, prvcích městských mobiliářů, ale i v moderním sochařství.prumysl/pribehy/koroze02.jpeg

Materiálové složení

Celosvětově nejpoužívanější ocel se zvýšenou odolností proti atmosférické korozi, která byla uvedena na trh v roce 1959 pod obchodním názvem COR-TEN, tedy CORrosion resistence (odolnost vůči korozi) – TENsile strenght (pevnost v tahu) vyznačující se obsahem 0,1–0,2 % P, 0,2–0,5 % Cu a 0,5–1,5 % Cr byla patentována již v roce 1933 v USA. V Československu byl materiál obdobných vlastností vyvinut na přelomu 60. a 70. let pod označením Atmofix, a to ve dvou základních jakostech Atmofix-A a Atmofix-B. Chemické složení základních typů ocelí se zvýšenou odolností proti atmosférické korozi udává tabulka 1. [1, 5]

Tabulka 1: Chemické složení nejběžnějších typů patinujících ocelí [3], [4], [5]
Označení C Mn P S Si Cr Ni Cu
CORTEN A 0,12 0,20-0,50 0,070-0,150 0,030 0,25-0,75 0,50-1,25 0,65 0,25-0,55
CORTEN B 0,19 0,80-1,25 0,035 0,030 0,30-0,65 0,40-0,65 0,40 0,25-0,40
Atmofix A max. 0,12 0,30–1,00 0,06-0,15 max. 0,04 0,25-0,75 0,50-1,25 0,30-0,60 0,30-0,55
Atmofix B 0,1 -0,17 0,90-1,20 max. 0,04 max. 0,04 0,20-0,45 0,40-0,80 0,30-0,60 0,30-0,55

prumysl/pribehy/koroze03.pngPodmínky pro správný vývoj ochranné patiny

Pro dosažení požadované funkce a spolehlivosti konstrukce je nutné dodržet hned několik podmínek pro zabezpečení správné tvorby patiny. Tyto informace předkládají především výrobci těchto materiálů ve svých podnikových normách či technický podkladech. Lze se ovšem setkat i s celou řadou předpisů konečných uživatelů – např. vlastníků a správců konstrukcí z těchto materiálů, např. v případě předpisů národních správců silniční a železniční infrastruktury. prumysl/pribehy/koroze06.pngZásady uvedené v těchto dokumentech je nutné respektovat a uvažovat o jejich aplikaci při návrhu konstrukce. V případě zamýšleného použití patinujících ocelí se obecně jedná především o následující omezení a zásady [3, 5, 7].

Zásady pro správnou tvorbu a následnou funkci ochranné patiny:

  • Přijatelný stupeň korozní agresivity.
  • Zabezpečení střídání cyklů ovlhčení a osušení konstrukce v počátečních fázích tvorby ochranné patiny.
  • Správné konstrukční řešení, včetně detailů a spojovacích prvků.
  • Pravidelná údržba a odstraňování nečistot z konstrukce.

prumysl/pribehy/koroze04.jpegOmezení použití patinujících ocelí:

  • Zvýšený obsah chloridů či obsah SO2 převyšující koncentraci 80 mg.m-2.d-1.
  • Výskyt specifických druhů znečištění.
  • Tepelná kapacita přilehlých prvků konstrukce negativně ovlivňující ovlhčení konstrukce.
  • Permanentní ovlhčení.
  • Nevhodné technické řešení.

Nedodržení výše uvedených doporučení a zásad vede k neuspokojivému vývoji patiny a k úplné ztrátě původně předpokládaných funkčních a ochranných vlastností těchto materiálů. Z dlouhodobého hlediska je takovýto stav neudržitelný a je nutné vhodným způsobem provést opravná opatření pro zabezpečení spolehlivosti konstrukce, což však může v některých případech vést až k nutnosti dodatečně konstrukci povlakovat, a tím tedy i ke ztrátě přidané hodnoty těchto materiálů.

prumysl/pribehy/koroze05.jpegV případě, že je nezbytné patinující ocel opatřit nátěrem je nejvhodnější provést důkladné otryskání konstrukce a aplikovat nátěrový systém odpovídající skladby pro dané korozní prostředí a očekávanou životnost. Navíc byla prokázána zvýšená životnost povlakovaných konstrukcí z patinujících ocelí oproti běžným konstrukčním ocelím. [7]

Závěr

Použití ocelí se zvýšenou odolností proti atmosférické korozi je stejně tak, jako použití jakéhokoliv jiného konstrukčního materiálu spojeno především s důsledným technickým přístupem ve fázi návrhu, tedy obecně se správností volby tohoto materiálu do daného korozního prostředí, vhodným konstrukčním řešením pro zamezení negativních účinků spojených s neuspokojivým vývojem ochranné patiny. Jedině tato opatření mohou zabezpečit dosažení přidané hodnoty těchto materiálů.

Použitá literatura:
[1] NIPPON STEEL & SUMITOMO METAL. COR-TEN [online]. Tokyo, Japan, 2014 [cit. 2017-12-10]. Dostupné z: https://www.nssmc.com/product/catalog_download/pdf/A006en.pdf
[2] Dům bytové kultury [online]. [cit. 2017-12-18]. Dostupné z: https://cs.wikipedia.org/wiki/D%C5%AFm_bytov%C3%A9_kultury
[3] CORTEN A STEEL / Weather resistant steel: COR-TEN CORTEN A, [online]. [cit. 2017-12-18]. Dostupné z: http://2.imimg.com/data2/NC/GW/MY-1913761/corten-a-steel-weather-resistant-steel.pdf
[4] Corten B - Chemical Composition: AZO Materials [online]. [cit. 2017-12-18]. Dostupné z: https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=5228
[5] PODNIKOVÁ NORMA. VN 73 1466: NOSNÉ KONSTRUKCE Z PATINUJÍCÍCH OCELÍ ATMOFIX. Ostrava: Vítkovice, 1995.
[6] Angel of the North [online]. [cit. 2017-12-18]. Dostupné z: https://www.expedia.com.au/Angel-Of-The-North-Newcastle-upon-Tyne.d6079435.Attraction
[7] Weathering steel bridges: Corus Construction & Industrial [online]. [cit. 2017-12-18]. Dostupné z: www.corusgroup.com

6. 2. 2018


 

Matematické modely chladicích věží ušetří investorům i stamiliony

V elektrárnách po světě vyprodukujeme více tepla, než kolik ho spotřebujeme; problém je dostat ho ke všem spotřebitelům. Jedině mělnická elektrárna u nás využívá odpadní teplo, když jím zásobuje přilehlou část Prahy. Řešení problému s distribucí odpadního tepla by mohla přinést decentralizovaná energetika, tedy malé lokální elektrárny. Nahradit Temelín by znamenalo zbudovat desítky tisíc malých zařízení.

Laboratoř si většina z nás představí jako místo, jemuž dominují zkumavky a mikroskop. Laboratoři Ústavu mechaniky tekutin a termodynamiky při ČVUT v Praze, Fakultě strojní ovšem dominuje něco zcela jiného – sedm metrů vysoký model chladicí věže. I tak se vlastně jedná o miniaturu, uvážíme-li, že v praxi slouží chladicí věže třeba v tepelných elektrárnách. Věž Temelína přitom měří 120 metrů.

Ústav vede prof. Ing. Jiří Nožička, CSc. K problematice chladicích věží se dostal někdy před dvaceti lety díky své vstřícnosti. Byl totiž první, kdo si s majitelem firmy, hledajícím spolupracovníky přes problematiku chladicích věží, sedl za stůl a začal si s ním povídat.

prumysl/pribehy/Chladici-veze-1.jpg„Jsme ústav, který se zabývá prouděním, termodynamikou, sdílením tepla a hmoty atd., tak to do jisté míry patří do našeho pole působnosti,“ říká k tomu prof. Nožička. „Nejdříve jsme začali spolupracovat na relativně malých věcech, a když to fungovalo, rozšiřovali jsme spolupráci o společné výzkumné projekty a toho se držíme do dneška. Tehdy se jednalo o problematiku tzv. ventilátorových chladicích věží. V každé je soustava kanálů a potrubí, kterými se přivádí voda k rozstřikovým tryskám. Ty vytvářejí jakousi spodní sprchu, jež dopadá na chladicí výplně, na kterých dochází k vlastnímu chlazení. Snažili jsme se získat charakteristiky trysek a ukázalo se, že vypadají trošku jinak, než si výrobci představují, a že zavodnění, které po nás firmy požadují, nezajistí maximální chladicí výkon věže. Proto jsme se začali zabývat celkovými výkonovými charakteristikami věží a přišli s celou řadu vlastních věcí. Proměřovali jsme například, jakým způsobem a kde ta věž chladí, a tomu se snažili přizpůsobit rozložení trysek. Na základě těchto poznatků a díky tomu, že jsme si v laboratoři postavili několik zkušebních stendů, umožňujících proměřovat charakteristiky výplní a trysek, jsme začali vytvářet i matematické modely chladicích věží. Snažíme se tedy jít jednak cestou experimentů a zároveň mít i určitý matematický aparát, který by alespoň částečně umožnil takovou chladicí věž dopočítat.“

Znamená to, že se do určité míry obejdete bez praktických experimentů?

„Ne úplně, ale jsme třeba schopní na základě toho sestavit postupy, které usnadní projektantovi věže udělat prvotní návrh poměrně rychle. Takže když chce třeba firma získat nějakou zakázku a vstupuje do výběrového řízení, umožní to projektantovi co nejrychleji zpracovat alternativní návrhy, spočítat reálnou cenu – a hlavně pracovat s poměrně věrohodnými údaji ohledně předpokládaného výkonu věže. Protože když se dnes podíváte na návrhy věží, které chodí do výběrových řízení, zjistíte, že při stejných parametrech se liší nabídky od dodavatelů v desítkách procent. A když ta věž vyjde třeba o 20 procent větší, než je potřeba, rozdíl v ceně se může pohybovat ve stamilionech.“

Do jaké míry může být investor vůbec schopen posoudit kvalitu jednotlivých návrhů?

„Záleží na tom, zda má v týmu příslušné specialisty, obvykle pouze zadá parametry, které musí věž splňovat, a dělá si při předávce ověřovací měření. A pokud věž nefunguje, jak má, následují penále a reklamace. I proto se na náš ústav obracejí někteří investoři s žádostí o posudky. To je dnes ostatně problém mnoha výběrových řízení, že se po člověku, který ho vypisuje, chce, aby byl odborníkem na danou oblast. Musí pak dodávku přesně specifikovat, protože jinak mu hrozí, že když něco zadá špatně a dostane na základě toho něco, co pořádně nefunguje, může se dodavatel hájit: Ale vždyť jste to tak chtěli…“

Máte z hlediska výzkumu v této sféře u nás nějakou konkurenci?

„V poměrně širokém okolí jsme asi jediní, protože získáváme zakázky nejen od našich výrobců, ale i z Evropy a z širšího světa. Samozřejmě jde o firmy, které u nás mají zastoupení. Jistě to souvisí i s tím, že jsme postavili několik už zmíněných stendů, a ty doladili do poměrně velké přesnosti, takže jsme schopní podávat měření s přesností mnohdy vyšší, než výrobce. Umíme například měřit výplně, eliminátory a rozstřikové trysky, které jsou v Temelíně. Nemůžeme samozřejmě změřit věže jako celek, ale když máme parametry jednotlivých komponent, jsme schopni ty velké věci dopočítat.

Co se vlastně měří?

Měří se například zatížení – to znamená množství vody o určité teplotě na metr čtvereční chladicí plochy, kolik tepla se předá chladicímu vzduchu. Protože na reálné chladicí věži je potřeba se zajímat o dvě věci – primárně jak moc ochladí vodu, tedy jak moc se přiblíží k teplotě okolí, a samozřejmě kolik megawatů chladicího výkonu věž dodá. A my tohle dokážeme přepočítat na jednotku plochy a určit reálné parametry toho zařízení.

Zaráží mě jen, že je tu nějaká voda, kterou je potřeba ochlazovat, zatímco jinde vodu například pro domácnosti ohříváme. Nešlo by tedy tuhle teplou vodu místo ochlazování naopak využívat?

To se dostáváme k jiné filozofické otázce, kterou – když se ji budeme snažit zodpovědět – zjistíme, že všechno je špatně. My dnes v elektrárnách po světě vyprodukujeme více tepla, než kolik tepla spotřebujeme např. v domácnostech, průmyslu atd. Problém je, že to teplo potřebujeme dodat ke všem spotřebitelům, zatímco v celé republice je jen několik velkých elektráren.  

Takže problém je s distribucí toho tepla…

Ano. Jediné, co se v tomto směru zatím podařilo realizovat, je mělnická elektrárna, kde parovod zásobuje odpadním teplem přilehlou část Prahy. Samozřejmě by bylo možné postavit v okolí elektrárny třeba nějaké skleníky, ale to by šlo o využití jen zcela zanedbatelného množství vyprodukovaného tepla. Je to i jeden z důvodů, proč se dnes volá po budování decentralizované energetiky. Při větším množství relativně malých energetických zdrojů by jejich odpadní teplo bylo využitelné v místě spotřeby. Zůstává ale otázka, za jak dlouho a zda vůbec se to podaří prosadit. Tyhle tendence jdou ruku v ruce s obnovitelnými zdroji. Bohužel státy s vyspělou energetikou se pustily primárně do budování velkých energetických zdrojů, a tak je i tam tento problém podobný jako u nás. Představte si, že místo jednoho Temelína byste musela postavit desítky tisíc malých zařízení… I když všechno má svoje výhody a nevýhody, protože pokud třeba přijde vichřice, kdy padají stromy na elektrická vedení, pak budu-li mít zařízení, které zásobuje teplem a teplou vodou jednu vesnici, nevyřadila by taková porucha půl republiky. Centralizované elektrárny také potřebují daleko méně lidí na obsluhu. Zase by to ale mělo negativní dopady na energetickou soustavu, kde je potřeba občas přeposílat obrovské výkony. Zvláště v situacích, kdy v Německu začne nebo přestane foukat vítr a ze severu Německa je potřeba přemístit obrovské množství energie na jih, tak to všechno musí protéct po drátech přes nás.

Má tento obor nějaký svatý grál, který se všichni snaží vyřešit a nedaří se jim to?

Akumulace energie. Obnovitelné zdroje jsou už dnes možná schopné vyrobit tolik energie, že by nám třeba stačila pokrýt spotřebu. Bohužel ale sluníčko obvykle nesvítí tehdy, když to potřebujeme, a elektřinu schovávat na horší časy ještě moc neumíme. Až se tohle podaří vyřešit, podaří se odstranit i všechny problémy s rozkolísaností sítě, ale to ještě nějakou dobu bude trvat.

Myslíte, že je to otázka roků? Zdá se, že vývoj technologií neustále nabírá na obrátkách…

Když jsem před více než 30 lety chodil na tuhle školu, říkali nám, že jaderná fúze už je v podstatě zvládnutá, stačí to postavit a bude to běhat. A dneska říkáme studentům, že jaderná fúze už je v podstatě zvládnutá a stačí to postavit a bude to běhat. Já se bojím, že je to trošku podobné…

6. 2. 2018


 

Otevřená okna řeší problém s větráním na školách jen velmi omezeně

Upozorňuje na to už nějaký čas doc. Ing. Vladimír Zmrhal, Ph.D. z  Ústavu techniky prostředí, Fakulty strojní, ČVUT v Praze. I proto se rozhodl napsat na toto téma publikaci Větrání škol v souvislostech, nicméně problém i tak přetrvává…

Kde je zakopán pes?

Problém spočívá v tom, že stávající předpis Ministerstva zdravotnictví, který se vztahuje na větrání škol, si odporuje. Obsahuje totiž dvě zcela protichůdná ustanovení: Jedno říká, že přirozené větrání musí být v případě těsných oken zajištěno mikroventilací nebo větracími štěrbinami. Druhé stanovuje, že do učebny má být přiváděno 20 až 30 m3/h čerstvého vzduchu na žáka. Přitom mikroventilací ani štěrbinami nelze takových průtoků vzduchu dosáhnout. Navíc druhý požadavek vede k trvalému větrání učeben v uvedených dávkách vzduchu, což si málokdo uvědomuje. Je možné větrat trvale otevřeným oknem v zimě?

Jak dlouho trvá tenhle stav?

Problematika větrání škol není nová. Už naši předchůdci upozorňovali na složité okolnosti, které je nutno respektovat. Rád cituji ze starší literatury, výmluvný je citát z roku 1903 „Zříditi ve školních budovách řádné, požadavkům zdravotnictví vyhovující topení a větrání jest úkolem dosti nesnadným …“ a to v době, kdy budovy nebyly zdaleka vybaveny takovými okny jako dnes. Už tehdy věděli, že přirozené větrání okny není pro školy zcela vhodné.
Nevhodně formulované novodobé předpisy se datují do roku 2001. I přes to, že technici na tento stav dlouhodobě upozorňovali a kritizovali jej, nic se do dnešních dnů prakticky nezměnilo. Otázka řešení energetické náročnosti budov se omezila pouze na zateplování a výměnu oken a nikdo neřešil otázku, jaký to bude mít dopad na vnitřní prostředí. V současnosti se začíná situace mírně zlepšovat, o problému se hodně mluví a existují dotační tituly, které podporují sofistikovaná řešení. Bohužel většina škol už procesem rekonstrukce prošla a náprava je jen těžko uskutečnitelná.
Ústav techniky prostředí je pracovištěm s dlouholetou tradicí a problematika vnitřního prostředí v budovách nám není cizí. Proto jsme se rozhodli vydat nejprve osvětový materiál a snažíme se alespoň upozornit zainteresované osoby, že takový problém existuje. Pomáhali jsme s nastavením podmínek pro čerpání dotací. Pokud chce dnes škola zateplit a vyměnit okna a zároveň čerpat dotaci, musí mít vyřešené větrání. Posledním počinem je kniha Větrání škol v souvislostech, která se snaží problematiku popsat detailněji.

Vše se zdá tak zřejmé a srozumitelné, že nechápu, jak se o tom dá napsat celá knížka…

Máte pravdu, jedná se o zdánlivě elementární záležitost. Ovšem okolních vlivů, které do problematiky vstupují, je strašně moc.  Větrání otevřeným oknem je sice možné, ovšem v zimním období může přívod chladného vzduchu způsobit tepelný diskomfort – pocit průvanu. Děti se můžou při otevřených oknech v zimě nachladit. Hluk z dopravy, znečištění venkovního ovzduší, bezpečnost žáků apod. to jsou všechno aspekty, které přirozené větrání znehodnocují. Asi nejvážnějším problémem zejména starších rekonstruovaných škol je radon, který může vnikat do budov z podloží a v případě těsné budovy zůstává ve třídách, což je vážný problém. Jediná účinná prevence je přitom řádné trvalé větrání, přirozené větrání příliš nefunguje – mikroventilace a štěrbiny prakticky vůbec. Větrání otevíráním oken, tzv. provětrávání, má omezený účinek a je závislé na uživateli, tedy na učiteli. To znamená, že přenášíme povinnost větrat na učitele. Je to správně? Neměli bychom učiteli vytvořit podmínky pro jeho práci? Dle mého názoru by řádné větrání mělo být zajištěno bez jeho vědomí – automaticky.

Přinášíte i nějaké řešení?

Řešení existují. Pokud chceme šetřit energií a zároveň vytvářet kvalitní vnitřní prostředí, což jsou záležitosti, které jdou proti sobě, musíme nalézt nějaký kompromis. Nucené větrání se zpětným získáním tepla – tzv. rekuperace, funguje autonomně, bez zásahu učitele navíc nám umožňuje větrání kontrolovat – regulovat. Tak jako dnes už nemusí učitel během vyučování přikládat polínka do kamen, neměl by se starat ani o větrání. Měli bychom mu vytvořit podmínky pro efektivní práci s dětmi – učitel je tady od toho aby učil, ne aby větral. Největší problémy s větráním máme v zimě, zatímco v období, kdy se netopí, můžeme přirozené větrání okny bez problémů použít. Proto by okna v učebnách měla být vždy otevíratelná. Do roku 2014 stát podporoval pouze zateplení a výměnu oken, od roku 2015 jsou podporovány jen projekty, kde je větrání řešeno nuceně se zpětným získáváním tepla.

Je větrací systém s rekuperací finančně náročná věc?

Ano samozřejmě, je to strojní zařízení, které vyžaduje stavební připravenost, napojení na elektrickou energii apod. Z pohledu školy se jedná řádově o miliony korun, ale jak jsem již naznačil, existují dotační tituly, které náklady z velké části pokryjí. U nových škol by pak větrání mělo být řešeno automaticky. Další záležitostí je pak provoz a údržba těchto zařízení, opět není možné svěřit starost o zařízení učiteli.

Netýká se stejný problém vlastně všech staveb, v nichž lidé bydlí a pracují?

Stejný problém je např. u obytných domů. Když jsem bydlel před rokem 1989 v panelovém domě s dřevěnými okny, na otopných tělesech byly takové nádoby, do kterých maminka nalévala vodu, aby zvlhčovala vzduch. To proto, že větrání bylo díky netěsnostem v oknech přirozené a navíc velmi intenzivní – vzduch se vysoušel. Tepelné ztráta větráním byla veliká, na druhou stranu energie byla levná, dotovaná, takže to bylo každému jedno. Po revoluci se začala okna utěsňovat a později i vyměňovat za nová, těsná a vznikl problém s nekvalitním vnitřním prostředím i v obytných budovách. Rázem jsme se dostali na opačný pól problému. Člověk sám i svou činností produkuje vodní páru, která, když se neodvádí, může kondenzovat na chladných plochách a vytvářet podmínky pro vznik plísní. Nemůžeme to ale svádět na výrobce oken, kteří musejí splňovat výrobkové normy.

Donedávna se řešily jen úspory energie, začíná se už na „správných“ místech mluvit také o vnitřním prostředí?

Až teď se začíná přístup měnit. Zdá se, že některé instituce problém pochopili. Např. Státní fond životního prostředí odborníky vyslyšel a zahrnul řešení problematiky větrání do podmínek pro čerpání dotace. Já si myslím, že je to správně, nicméně argumentace ve prospěch zdravého vnitřního prostředí je velmi obtížná. Šetříme, ale jinde než by se mělo…

20. 12. 2017



Dnešní strojař musí být zároveň i designérem

Strojaři z pražské ČVUT se stávají specialisty na rekonstrukci historických výtahů.
Největší problém historických rekonstrukcí? Sladit bezpečnostní předpisy s požadavky památkářů.
„Čím komplikovanější úkol je, tím je pro nás zajímavější,“ říká Ing. Martin Janda z Fakulty strojní.

Když se před časem rozhodl pražský magistrát zrekonstruovat pater noster ve své budově na Mariánském náměstí, Bylo nutné najít nezávislého projektanta, který není spojen s žádnou z realizačních firem a je schopen zpracovat projekt a v souladu se zákonem o zadávání veřejných zakázek stanovit předpokládanou hodnotu zakázky. Obrátili se proto na jednu z kateder Fakulty strojní ČVUT v Praze – na Ústav konstruování a částí strojů. Povídali jsme si o tom s Ing. Martinem Jandou, členem týmu, který se na projektu rekonstrukce podílel.

Proč byla potřeba k rekonstrukci pater nosteru spolupráce s výzkumným ústavem? Souviselo to s tím, že se nezachovala žádná dokumentace?

Ten důvod byl jiný. Byli jsme osloveni jako někdo nezávislý, kdo je schopen připravit podklady pro výběrové řízení, které magistrát potřeboval vypsat. Kdyby požádal jakoukoli firmu, aby připravila referenční nabídku, s kterou by pak mohli porovnávat ty další, nemohla by už ona firma podle zákona sama do výběrového řízení vstoupit.

Jak to celé probíhalo?

prumysl/pribehy/oblozeni_sten_studie_003_004.pngVznikl tým tří lidí, kde jsem byl já a kolegové Lopot a Kamenický. Mým úkolem byly především koordinace jednání, správa podkladů, administrace projektu na straně ČVUT a pochopitelně jsem byl také zapojen do vyhodnocování technických informací a designového řešení výtahu. Nejprve jsme se šli na magistrát podívat, abychom viděli, jak dnes výtah vypadá, protože prošel určitou rekonstrukcí před patnácti, dvaceti lety, kdy byly vyměněny například všechny dřevěné obklady. Svým vzhledem ale výtah nezapadal do původního vzhledu magistrátní budovy na Mariánském náměstí. Udělali jsme si nějaké fotky a sešli se nad nimi. Kolega Lopot, jako člen týmu s největší technickou i designerskou zkušeností, poté v rámci naší interní diskuse představil několik designových nápadů, které jsme prodiskutovali a doladili tak, aby na jejich základě mohl kolega Kamenický vytvořit názorné virtuální modely, jak by výtah mohl vypadat, aby co nejlépe zapadal do prostředí budovy. Ty jsme poté předali magistrátu, kde je zkoumali památkáři, zda jim to tak bude vyhovovat. Když věc odsouhlasili, znovu jsme se šli na výtah podívat a zkoumali ho tentokrát spíše z mechanického hlediska, co bude například potřeba vyměnit. Většinu technických detailů pak zahrnul kolega Kamenický do modelu odsouhlasené varianty, abychom se mohli detailně zabývat konstrukčním řešením jednotlivých uzlů a komponent a měli tak kompletní podklady pro zpracování potřebné referenční nabídky. A pak už jsme mohli dát dohromady nabídku, kolik co bude stát – oprava motoru, výměna vodítek, výměna řetězů atd., plus kolik hodin práce bude potřeba. Sepsali jsme všechno do zprávy, kterou jsme předali magistrátu, a tím pro nás projekt skončil.

Vnímám strojaře jako techniky, proto mě překvapuje, jak velká část vaší práce spočívala v designu a že to byl dokonce bod, od kterého se začala odvíjet…

V dnešní době musí být i strojař konstruktér do určité míry designérem. Protože cena výsledného díla je dost závislá právě na designu, na tom, jaký použijete materiál, jakým způsobem zpracujete obložení, zda bude zahrnovat nějaké frézované prvky… Možnost vyhrát si zde s designem byla opravdu veliká. Vytvořit technicky téměř dokonalé dílo není kumšt, kumšt je vytvořit technicky dokonalé dílo, které je krásné a příjemné uživateli. Proto zejména v případě, kdy se také cena odvíjí od designového řešení, je zcela na místě začínat právě s ním. Společnými silami jsme připravili a Magistrátu předložili asi čtyři nebo pět variant, které poté připomínkovali památkáři. Ti pak měli drobné korekce, když se jim nelíbilo například barevné provedení nebo řešení některých lišt, jen opravdové detaily. 

Proč musel výtah projít rekonstrukcí?

Celá budova magistrátu už prošla rekonstrukcemi a výtah byl poslední věcí, která kazila celkový, jinak velmi pěkný dojem. Obložení výtahu pocházelo z předchozí rekonstrukce ze sedmdesátých minulého století, kdy se navíc nedbalo na vzhled a historickou hodnotu, byla čistě účelová. O vzhledu původního pater nosteru z první republiky se bohužel nedochovala žádná dokumentace. Nakonec došlo k výměně celého výtahu, aby byla zajištěna dostatečně dlouhá životnost.

Pomohlo vám, že i u vás na fakultě je v budově pater noster?

Občas ano, protože když jsme si někdy nebyli jistí, jak je některá věc provedená, jak vypadá, jak tedy co nejefektivněji provést její opravu, šli jsme se podívat na výtahy tady u nás.

Předkládali jste několik variant. Jste spokojeni s tou, kterou magistrát nakonec schválil, nebo jste se museli uchýlit k nějakým kompromisům?

Jsme vlastně více než spokojení, protože se realizovala ta nejlepší varianta. Na základě dohody s památkáři se upravovaly vedle barvy dřeva už třeba jen takové detaily, jako třeba dřevěné stěny výtahu, do kterých se vložila dřevěná kazeta s jinou strukturou dřeva, aby to hezky vypadalo a co nejdéle hezké vydrželo. Ke kompromisům jsme se pochopitelně museli uchylovat taky. Sahali jsme ale opatrně, aby cena zůstala realizovatelná. Jedna věc je totiž referenční nabídka, která je pochopitelně připravená mimo jiné se snahou zajistit co nejlepší cenu za dílo a druhá věc je realizace. A i tady měl Magistrát šťastnou ruku, protože vybraná realizační firma zjevně odvedla opravdu dobrou práci.

Tahle zakázka se zjevně povedla, s uznáním o vás psali i v médiích. Mělo to i jiný ohlas než „jen“ ten mediální?

Získali jsme na základě toho další tři zakázky na přípravu referenčních kalkulaci pro opravy výtahů, včetně opravy klasického, taky historického výtahu v budově Městské knihovny. Jde o výtah umístěný ve schodišti, které vede okolo výtahu. Naráží zde do sebe současné legislativní požadavky s představami památkářů i reálnými možnostmi a potřebami interiéru budovy. Výtah je zde nutné zakrytovat, což je ale potřeba udělat tak, aby to zároveň vyhovovalo památkářům, ale aby to také vyhovovalo normám – a to jsou většinou dva pohledy, které se diametrálně rozcházejí. Tenhle problém u rekonstrukce pater noster nebyl. Najít proto tahové technické řešení, které vyhoví všem uplatňovaným omezením a požadavkům, a ještě bude hezky zapadat do celkového architektonického řešení budovy, je velká výzva a to nás baví.

30. 10. 2017



Unikátní 3D tiskárna z dílny pražských strojařů získala na MSV v Brně zlatou medaili

Zatím jedinou původní tuzemskou 3D technologii - zařízení WeldPrint MCV 5X - vyvinuli na Fakultě strojní ČVUT v Praze ve spolupráci s firmou KOVOSVIT MAS.

Sedmnáctitunové zařízení dokáže vyrobit díly o hmotnosti až čtyři sta kilogramů.

Ambiciózní cíl výzkumníků je vyrobit zařízení, které si bude moci dovolit „každý“, nejen průmysloví giganti.

prumysl/pribehy/05-weldprint-mcv-5x.jpg3D tisk představuje technologii s obrovskou budoucností, a tak si 3D tiskárny pořídil kde kdo. Nikdo se však nezabýval vývojem vlastní technologie 3D tisku. Změnit se to rozhodli na jedné z kateder Fakulty strojní ČVUT v Praze – v Ústavu výrobních strojů a zařízení, který se zaměřuje na vývoj strojů pro průmysl. Společně s firmou Kovosvit, s níž začali v rámci výzkumu spolupracovat, poprvé publikovali konkrétní výsledky v listopadu 2016.

Na historii výzkumu a na to, jak od loňska pokročil, jsme se zeptali Ing. Jana Smolíka, Ph. D., který se věcí zabývá:

„V našem ústavu jsme si pořídili první 3D tiskárnu na plasty zhruba před 15 lety. Tisklo se na ní, ale drahá byla údržba i materiál pro tisk. Potom se porouchala, ale také nás přestalo bavit s ní pracovat, protože 90 % naší aktivity spočívá v tom, že s firmami v Čechách a občas i v zahraničí vyvíjíme nové technologie. Proto jsme se v roce 2011 rozhodli zkusit něco vyrobit sami. Porouchanou tiskárnu jsme nejprve rozebrali, zkoušeli do ní dát vlastní tiskovou hlavu, dělat softwarové úpravy… Ale protože hlavní téma, kterému se věnuje náš ústav, je zpracování kovových materiálů, řekli jsme si, že zkusíme vytvořit něco z kovu. K dispozici jsme měli stroj na svařování laserem, a rozhodli se ho upravit tak, aby mohl navařovat kov. Vypsala se na to diplomová práce, v jejímž rámci vznikla navařovací hlava. A kolega Ivan Diviš, který byl u zrodu celé myšlenky, přišel s nápadem integrovat do našeho laseru přísun drátu. Problémy s parametry laseru u přísuvu nám pomohli vyřešit kolegové – odborníci na práci s laserem Prajer a Zeman, a konečně se podařilo téměř bez nákladů provizorně v naší laboratoři vytvořit první malé dílce o váze v řádu desítek gramů. To nás velice posílilo v entuziasmu, že bychom mohli být schopni vyvíjet vlastní technologii 3D tisku.“

Lidé znají 3D tisk z plastu, ale ani ten z kovu není úplně nový. Čím je vaše metoda unikátní?

„Jinde používají kovový prášek, který je na rozdíl od levného drátu velice drahý a navíc pro obsluhu nebezpečný. Proto jde o dodnes velmi málo využívanou technologii. Naše technologie je ale unikátní také tím, že zde 3D tisk a obrábění probíhají v jednom cyklu v tomtéž prostoru. Obrábění přitom může probíhat už během tisku, ne až po něm, a jsme schopni během toho procesu používat chlazení, což nikdo jiný nedokáže. Jako jediní také touto technologií dokážeme vytvářet růst podpor a zakládání rovin ve vzduchu. Nicméně zásadní je otázka ceny provozu takového zařízení, proto jsme potřebovali výkonnější stroj. Nutné taky bylo pokračovat ve vývoji ve spolupráci s nějakým průmyslovým partnerem. V režimu nejvyššího utajení jsme proto uzavřeli smlouvu s majitelem firmy KOVOSVIT MAS.

Jak dlouho trvaly jednotlivé fáze vývoje?

Dva a půl roku jsme prováděli všechny testy v laboratoři na ČVUT a pro ten účel postavili dva zkušební štandy, které nám umožnily technologii vyvíjet a zjišťovat nároky na budoucí stroj pro Kovosvit. V roce 2015 jsme už byli schopni definovat požadavky na profesionální stroj, a tak se mohli konstruktéři Kovosvitu pustit do stavby a vyvinout ve spolupráci s námi WeldPrint 5X - zhruba sedmnáctitunové zařízení, které umí vyrobit díly až o váze 400 kg. Zařízení existuje ve dvou kusech, každý s jiným řídicím systémem, což nám umožňuje testovat jejich odlišnosti. Na jednom provádíme pokusy a druhý "taháme po výstavách". Teď v říjnu jsme ho vezli na Mezinárodní strojírenský veletrh do Brna, kde jsme na malém dílci předváděli, že stroj umí najednou obrábět i navařovat. Potěšilo nás, že bylo zařízení oceněno zlatou medailí v kategorii „Inovace prokazatelně vzniklá ve smluvní spolupráci firem s výzkumnými organizacemi v ČR/na Slovensku v rámci vývojových projektů dotovaných státem“.

Jaký je aktuální stav vývoje zařízení?

Nyní se intenzivně věnujeme vývoji softwaru pro řízení stroje a programování technologické přípravy, aby stroj prováděl pouze vybrané a smysluplně propojené aktivity, vedoucí ke konkrétnímu výsledku. Není přitom tajemstvím, že Kovosvit nově získal grant na rozvíjení tohoto tématu, jehož cílem je - zjednodušeně řečeno - najít takové technologické parametry a konstrukční úpravy, aby se dal stroj zproduktivnit. Klíčovou otázkou je, kolik bude stát kilogram navařeného materiálu. Když navařujete kilo oceli na konkurenčním stroji a započtete cenu stroje, obsluhy, softwaru, procesních plynů, údržby laserů i použité suroviny, doberete se k ceně třeba 10 tisíc za kilo materiálu. My máme velmi ambiciózní plán - dostat se k ceně 1 až 2 tisíce. Hlavní výjimečnost naší technologie by totiž měla spočívat v její hospodárnosti, v tom, že přestane být výsadou největších průmyslových gigantů, ale bude přístupná široké strojní veřejnosti.
Bez mateřských strojů, kterým se váš ústav věnuje, se neobejde žádné průmyslové odvětví. Jistě tedy vnímáte dopad technologie 3D tisku na řadu oborů...
Existuje i obor, který už 3D tisk zcela pohltil – naslouchadla, protože každý člověk má zcela individuální tvar ušní dutiny. Zařízení na 3D tisk pro tyhle velice malé dílce jsou natolik levná, že si je postupně koupil každý. Viděl jsem už ale i prototyp zařízení, které 3D tisk využívá při výrobě brýlových obrub.
Zdá se, že 3D tisk nebývale rozšíří možnosti individualizace výrobků...
Určitě. Například Adidas už dnes má továrnu, kde vyrábějí boty sériově, ale na míru. Jdete do jejich prodejny, oskenují vám nohy, tvar nohy zadají do výroby, kde podle něj vyrobí to základní – tvar podešve, vložky apod. a zbytek na to našijí. Velké téma je i opravárenství, kde už dnes najdete spoustu dílců, na kterých chybí kus materiálu, který se používáním opracoval a musí se to opravovat ručně, kdy se pod mikroskopem chybějící materiál laserovým navařováním dotvoří - vlastně 3D tisk prováděný ručně. A takových případů je bezpočet.

Kolik času ještě potřebujete na dotažení výzkumu do takové podoby, aby mohl jít na trh?

To je více otázkou peněz, než času. Grant pro Kovosvit představuje pouhou kapku v moři. Kdyby nebyl problém s financováním, dotažení tohoto stroje profesionálně do konce za konkurenceschopnou cenu odhaduji tak na dva roky, jsme ve všem už hodně daleko. Donutilo nás to zabývat se každým detailem, velmi dobře porozumět všem konkurenčním technologiím, takže dnes máme obrovské know-how znalostí, které lze využít i při výrobě jiných strojů. To by se nestalo, kdybychom zůstali na stupni uživatelů cizích tiskáren. Zároveň platí, že Kovosvit chce v tomto programu pokračovat, splnit cíle grantu a vytvořit produktivnější, ekonomicky výhodnější tržní provedení stroje. Plán je mít ho za dva a půl roku na trhu.

Na mezinárodním strojírenském veletrhu v Brně byl stroj WELDPRINT MCV 5X oceněn zlatou medailí v kategorii "Inovace prokazatelně vzniklá ve smluvní spolupráci firem s výzkumnými organizacemi v ČR/na Slovensku v rámci vývojových projektů dotovaných státem". Cenu převzali generální ředitel firmy KOVOSVIT MAS, a.s. Ing. Libor Kuchař a děkan Fakulty strojní ČVUT v Praze prof. Michael Valášek.

12. 10. 2017



Rozvoj bioekonomiky se bez strojařů neobejde

Proklínaná biopaliva první generace, jako řepka či kukuřice, jsou dnes už dávno překonaná.
Technologie doc. Krátkého několikanásobně zvyšuje využitelnost zemědělského odpadu.
Nechceme-li brzdit vývoj, musíme přehodnotit termín ekonomická návratnost.

Drtivá většina výzkumných pracovišť světa se více či méně potýká s finančními problémy. Ústav procesní a zpracovatelské techniky, jeden z ústavů Fakulty strojní ČVUT v Praze, má situaci zas ještě o jeden aspekt věci náročnější. Pomineme-li rutinní, komerčně zaměřenou část jejich činnosti, pak - co se zpracování odpadu týče - k realizaci technických řešení, která zde umějí najít, potřebují mimo jiné i politickou či celospolečenskou vůli. Bez nadsázky lze říci, že se neobejdou bez toho, aby svět změnil náhled na to, co se vyplatí. K termínu biotechnologie by bylo potřeba přiřadit ještě termín bioekonomika…

Jako příklad vezměme výzkum doc. Lukáše Krátkého – předúprava zemědělského odpadu. Ten se – bez předúpravy - tradičně zpracovává v bioplynových stanicích, kterých je jen u nás několik set. Problém spočívá v tom, že biologická rozložitelnost takového odpadu často nepřesahuje 20 %. Např. při výrobě bioplynu z lignocelulózového odpadu je zpravidla jen pouhá pětina této hmoty využitelná a zbylé čtyři pětiny se vracejí zpátky na pole. Proces předúpravy zemědělského odpadu ovšem míru jeho využitelnosti zásadním způsobem mění…

Doc. Krátký popisuje: „Zkoušeli jsme aplikovat některé metody, jako například termické vyváření, kdy vezmete zemědělský odpad, dáte ho do vody a rozvaříte jako v papiňáku. Nicméně náš papiňák umí až 200 stupňů a zkoušeli jsme i efekt papiňáku, který doma vybuchne. Pokud navíc použijete pro termické rozváření rozdrcený materiál, zvýší se biologická rozložitelnost odpadu až na 80 %. Najednou tedy zbývá minimum odpadu. Výborné je i to, že při rozváření se zemědělský odpad z velké části rozpustí, protože obsahuje velké množství ve vodě rozpustných látek. A jakmile je něco rozpuštěné ve vodě, mikroorganismy to dobře zfermentují a proces dobře funguje.“

Dalo by se tedy očekávat, že bioplynové stanice utrhají výzkumníkům z Ústavu procesní a zpracovatelské techniky ruce. Čím to, že jejich provozovatelé stále dávají přednost odpadu bez předúpravy?

 prumysl/pribehy/PT_22.jpg„Problém je,“ vysvětluje doc. Krátký, „že tato technologie je investičně i provozně velmi náročná a v průmyslovém měřítku neodzkoušená. Pracuje s vysokými provozními tlaky i teplotami, nutná je komplikovaná regulace procesu. K běžné bioplynce přijede bagr a do homogenizační jímky nasype denní dávku suroviny, která se po naředění na potřebnou konzistenci přímo dávkuje do fermentoru. Je to tedy extrémně jednoduchá technologie z hlediska provozu i údržby.
Přestože technologie termicko-expanzní předúpravy není prozatím v průmyslovém měřítku instalovaná, potenciál jejího uplatnění lze nalézt např. v tradičních provozech výroby biopaliv druhé generace, tj. v bioplynových stanicích, biolihovarech a v jiných fermentačních technologiích. Své uplatnění může rovněž nalézt při extrakci biochemikálií a biomateriálů z odpadů, tj. při materiálové recyklaci lignocelulózových odpadů. Ve spolupráci s prof. Márovou a doc. Obručou z Fakulty chemické VUT v Brně aktuálně testujeme potenciál termicko-expanzní předúpravy dřevních odpadů pro výrobu bioplastů. Ty jsou na rozdíl od klasických plastů biologicky rozložitelné a nepředstavují ekologickou zátěž. Vypadají stejně jako klasické plasty a svými vlastnostmi (tvrdost, pružnost, ohebnost, odolnost) se blíží klasickým plastům. Mohou být ovšem méně odolné vůči dlouhodobému vlivu prostředí, zejména vodě, proto naleznou uplatnění všude tam, kde jsou zapotřebí plasty se zkrácenou životností - například věci na jedno použití jako sáčky, tašky, bedny, ale i plastové talíře a příbory, nebo květináče a netkané mulčovací textilie… Doposud byla snaha vyrábět bioplasty z kukuřičného škrobu nebo řepného cukru, což je ovšem potravinářská komodita. Současný trend je získat základní surovinu pro jejich výrobu fermentací předupravených zemědělských odpadů a odpadů z dřevozpracujícího průmyslu.“ 

Vedoucí ústavu prof. Tomáš Jirout vnímá problém komplexní materiálové a energetické recyklace v souvislostech daleko širších: „To, že zatím nikde nestojí biorafinerie, která zpracovává 200 tun odpadu denně, je otázka toho, že jsme na začátku politické a sociálně-ekonomické vůle toto řešit. Pryč je doba proklínaných biopaliv první generace, jako je řepka, kukuřice nebo cukrovka, které ničí půdní fond a musíme je nejdříve vypěstovat. Navíc když třeba vyrábíme bioplyn z kukuřice, tváříme se sice strašně ekologicky, ale zároveň tak vyprodukujeme nemalé množství CO2, který unikne do atmosféry. Další vývojový stupeň proto přestavují biopaliva, k jejichž výrobě využijeme odpady ze skládek, a pokud možno při tom ještě nějaké nežádoucí látky, třeba CO2, spotřebujeme. A myslím, že i laik cítí, jak úžasné je, že dnes umíme zpracovat odpad tak, aby z něj vznikla nějaká dále využitelná surovina – tedy už nejen palivo, ale třeba plast, papír, textil nebo dokonce potravina. Budoucnost komplexního zpracování a recyklace odpadů proto vidíme v konceptu biorafinerie.

V praxi jsou ovšem tyto technologie a jejich využití zatím v plenkách. Stejné je to ale i v jiných oborech… V Německu sice padají žaloby, protože zakazují vjezd autům do měst. Máme ale elektromobily za rozumnou cenu? Nemáme. Máme hybrid za rozumnou cenu? Nemáme. A v té samé situaci jsme i my s biotechnologiemi: Chce někdo likvidovat odpad a vyrobit z něj něco prospěšného? U nás na Ústavu procesní a zpracovatelské techniky Fakulty strojní ČVUT v Praze k tomu máme potřebné know-how, umíme vize chemiků převést do průmyslového měřítka, postavit výrobní linky a vyrábět na nich z odpadu nejrůznější suroviny. Stojíme ale teprve na začátku nové velké éry průmyslu, nového vnímání světa, nového pojetí ekonomiky – bioekonomiky. Ta nebere v úvahu jen prostou ekonomickou návratnost, ale zvažuje, zda je věc rentabilní i z hlediska lidského zdraví a stavu přírody. A vývoj se tomu bude muset přizpůsobit. Ve spolupráci s chemiky a biology a s patřičnou celospolečenskou vůlí z toho pak můžeme vystavět nové produktové odvětví.“

23. 9. 2017



Umělé hlasivky „na míru“ napodobí hlas pacienta

S umělými hlasivkami svitla naděje pacientům po laryngektomii. 
Zařízení je potřeba nejprve otestovat na zvířatech. První na řadě jsou ovce. 
Výzkum stále pokračuje, brzdí ho však nedostatek financí.

prumysl/pribehy/hl01.jpgKdyž dostal loni v září prof. Tomáš Vampola z Fakulty strojní ČVUT v Praze Cenu předsedy Grantové agentury ČR za projekt individuální hlasivkové náhrady, nemohla věc proběhnout bez povšimnutí médií. Radost nad úspěchem tehdy kalil oceněnému vědci fakt, že musel odmítat zájemce o umělé hlasivky, kteří se mu po zveřejnění informace začali hlásit a nabízeli se třeba i jen ke klinickému testování. Nešlo ale jen o fakt, že v případě pokusů na živých tvorech musí jako první přijít na řadu zvířata. Zásadní problém spočívá především v tom, že na další výzkum zatím nejsou peníze. Na podrobnosti jsme se vyptali přímo prof. Tomáše Vampoly z Ústavu mechaniky, biomechaniky a mechatroniky, na jehož půdě výzkum probíhá.

Jaké etapy výzkum umělých hlasivek prodělal?

S tímto vývojem začal před mnoha lety kolega Dedouch, který bohužel tragicky zemřel. Já v něm pak pokračoval. Vyšlo nám několik projektů, které vyústily v návrh umělé hlasivky, který by – snad, možná – mohl fungovat. Počáteční ambice ale byly daleko skromnější. Zkusit vytvořit nějaké moduly, které by byly schopné modelovat vokální trakt člověka a predikovat hlasovou kvalitu, když se právě v tom traktu něco změní. Třeba jak ovlivní hlas člověka, když se odstraní mandle nebo když má v krku nádor. Nakonec jsme ale dospěli k samotnému modelování hlasivky, která je velmi komplikovaná. A pak vznikla ambice navrhnout umělou strukturu, schopnou nahradit to, co vytvořila příroda. Stále však jde o velmi složitou věc, s níž je spojena spousta problémů…

Z dětství si pamatuji naivní sci-fi, odehrávající se v době, kdy šlo nahradit každou součást lidského těla. Tam vznikl malér, když vousatý muž – profesionální kazatel, takto nabyl žensky pištivého hlasu. Vaše umělá hlasivka by měla něco podobného vyloučit?

Naše ambice byla vytvořit náhradu, která by člověku vrátila stejný hlas, jaký měl před operací. Předem by se tedy provedla analýza jeho hlasu, na jejímž základě bychom navrhli konkrétní strukturu, která by po implementaci do krku zněla dost podobně.

Do jakého bodu dospěl výzkum v momentě, kdy jste za něj loni dostal cenu?

Loni se nám podařilo náš návrh převést do patentové vyhlášky a publikovat několik článků, které měly poměrně slušnou odezvu. Na základě toho zřejmě dospěla grantová komise k rozhodnutí cenu udělit. Nicméně výzkum dál pokračuje.

Probíhají už testy na zvířatech?

Teď se připravuje test na ovcích, přestože momentálně se výzkum zastavil na tom, že nemáme projekt na vývoj hlasivky a domluvit testování na živém tvorovi je poměrně komplikované. I tak se ale snažíme a testy by měly proběhnout.

Co přesně znamená, že na vývoj hlasivky nemáte projekt?

Jsme na škole, takže získávat prostředky na výzkum je potřeba mimo výuku, tedy z projektů. Opakovaně se musíme snažit získávat projekty z definované oblasti a nám se to opakovaně podařilo s projekty na modelování hlasu. Tento projekt ale skončil a my hledáme nové cesty, jak ve výzkumu pokračovat. Základní vývoj je v podstatě hotový a teď potřebujeme sehnat financování, abychom mohli věc převést do realizační fáze.

Může v tom něco udělat i někdo jiný, než vy sami?

Dlouhodobě spolupracujeme s Karlovou univerzitou, kde mají vazbu na nějakou donátorku, ochotnou investovat do našeho výzkumu nějaké peníze. Doufejme, že se to podaří.

Mediálně jsou vždy sledované kauzy herců, kteří přišli o hlas. V minulosti například Stanislav Fišer, aktuálně se léčí Jiří Pomeje. Nepomohlo by nějaké mediální propojení v tomto směru?

Na to jsem velice opatrný. Není možné slibovat, že někomu zítra voperujeme umělou hlasivku, a vzbuzovat tak falešné naděje. Ten výzkum musí ještě dlouhodobě pokračovat a bez fáze testování na zvířatech a potřebných úprav to nemůže fungovat. Problém teď je najít možná ještě lepší konstrukci materiálového popisu, protože prostředí v krku je velmi nepřátelské – samé infekce, samé znečištění… A my potřebujeme nalézt materiál, schopný odolávat takto náročnému prostředí. Byl by nesmysl, kdyby vám voperovali umělou hlasivku a za dva týdny to museli reoperovat. Potřebujeme tedy materiál samočistící, který by zabraňoval infekci. Jedná se o problém, který je i u současných náhrad, tj. slavíků. Lidé je musejí často vyjímat a čistit a počínat si při tom velice precizně. Mě by to tedy velice obtěžovalo. Naše náhrada by také musela mít velice dlouhou životnost, jinak bychom výsledek nemohli považovat za úspěch.

Když si představíte, že by váš výzkum neomezovaly finance, kolik času byste odhadem potřebovali k jeho dokončení?

Pět let. A klinické testy taky zaberou spoustu času. Do toho už já nevidím, to je věc lékařů, kteří nás v tomto směru drží při zdi. Z naší pozice techniků funguje všechno krásně, ale z pozice lékařů se objevují pořád nějaké problémy.

Překvapuje mě, že se vám ještě neozval nějaký třebas i zahraniční investor, protože mně se ta věc jeví jako naprostá senzace.

To je sice pravda, ale všechno je to o tom materiálu, na kterém pracují na makromolekulární chemii a pořád ho ladí a zlepšují. Možná by to ale probíhalo rychleji, kdyby se našel někdo, kdo by do výzkumu investoval.

Probíhají někde ve světě podobně zaměřené výzkumy?

Velcí konkurenti jsou v Kanadě, kde to ale funguje jinak. Tam existuje specializované pracoviště, které má daleko lepší možnosti a desateronásobně víc lidí, kteří se věci intenzivně věnují. To je ale, myslím, obecně platné pravidlo, že tady se něco vymyslí, ale za hranicemi jsou schopní to prosadit rychleji. Co si budeme povídat, tam je to o úplně jiných penězích. Navíc u nás, když chcete získat nějaké finance a jdete do soutěže, je s tím spojená šílená administrativa, a to by si měl taky někdo v tomhle státě uvědomit.

Lidé dnes běžně absolvují plastické operace, nechávají si upravit nosy, přišít uši, zvětšit poprsí… Myslíte, že jednou budou možné i „plastiky“ hlasivek, vyladit hlas určitým způsobem?

Už teď se implementují do hlasivek nějaké kyseliny, ale já bych na to byl opatrný, bál bych se toho. Myslím, že příroda to plus minus vymyslela dobře a jakákoli náhrada je jenom substituce přírody. Je asi dobře, že každý mluví jinak. Podle hlasu přece lidi poznáváte. A že bychom přírodu dokázali přetransformovat…? Představte si jen, že by pak třeba všichni chtěli mít hlas jako Pavarotti, to by přece bylo šílené.

30. 8. 2017



Sestra ledničky topí a produkuje elektřinu

Původně bláznivý studentský nápad dostal ekologického Oskara a nyní v podobě mikroelektrárny WAVE míří do praxe. V současné době se připravují pilotní instalace.

Zájem o tuto technologii mají zejména malé obce, vlastníci lesů, zemědělci, provozovatelé penzionů a ubytoven, ale i CHKO.

Mikroelektrárna zaujala zejména obchodníky z Ruska a Kanady. Umožňuje totiž zajistit dodávku elektrické energie i do odlehlých zalesněných oblastí, které nejsou připojeny na rozvodnou síť.

Univerzitní centrum energeticky efektivních budov (UCEEB) spadá pod pražské ČVUT a úzce spolupracuje s Ústavem energetiky, dalším z šestnácti výzkumných ústavů Fakulty strojní (FS). Zde se v polovině roku 2008 zrodil zdánlivě bláznivý studentský nápad. Postavit automatický kotel na biomasu, který by zároveň s teplem vyráběl také elektrickou energii.
Ing. Jakub Maščuch, Ph.D, v současné době asistent Ústavu energetiky a vedoucí jednoho z výzkumných týmů UCEEB, potkal ještě jako doktorand na FS svého školitele, doc. Kolovratníka. Na chodbě fakulty dlouze diskutovali o možnosti výzkumu energetických zdrojů pro decentralizovanou energetiku. Rozešli se s úsměvem a hlavně s „dohodou“, že by bylo dobré „něco“ postavit…

Lehce se to řekne, těžko udělá…

prumysl/pribehy/016842o3.jpgPrincip, na kterém by takové zařízení mohlo pracovat, je relativně jednoduchý a známý. Ve své podstatě se totiž jedná o princip, na kterém funguje jeden z nejběžnějších kuchyňských spotřebičů, kterým je obyčejná lednice. Ta využívá tzv. organický Rankinův cyklus, při kterém se potravinám odebírá teplo, které je následně pomocí kompresoru odváděno mimo prostor lednice. Ale co kdyby se proces obrátil? Zadní strana ledničky by se ohřívala, kompresor by namísto spotřeby elektřinu vyráběl a z místa pro potraviny se teplo odebíralo pro vytápění a přípravu teplé vody…

Na celém světě jsou přibližně dvě desítky pracovišť, které se tímto problémem zabývají. Prakticky použitelných prototypů je však stále jako šafránu. První laboratorní zařízení, využívající dřevěné pelety, se v rámci UCEEB podařilo plně zprovoznit v roce 2012. V rozporu s původní představou ovšem nemělo velikost větší lednice, ale měřilo bezmála čtyři metry a vážilo přes dvě tuny. Ačkoliv se toto řešení ukázalo jako zcela slepá ulička, významným způsobem přispělo k poznatkům a rozvoji zkušeností týmu, který se kolem nápadu zformoval.

Informace o projektu mikroelektrárny pracující na tomto principu začal postupně pronikal na veřejnost. Vývojový tým za ni v roce 2015 získal prestižní cenu E.On Globe Energy Award ČR, a to v kategorii „Nápad“. Nicméně, než byl ve spolupráci ČVUT a UCEEB uveden do provozu prototyp mikroelektrárny v prakticky využitelné podobě, bylo nutné postavit dva další prototypy a vyřešit řadu konstrukčních i legislativních problémů.

V červnu 2016 bylo slavnostně pokřtěno první zcela funkční zařízení, a to za přítomnosti generálního ředitele E.ON Czech AG, Michaela Fehna a místopředsedy vlády Pavla Bělobrádka. A od tohoto momentu se původní čirá fantazie začala měnit v produkt, který přitahuje zájem především z oblastí mimo Českou republiku. Mikroelektrárna totiž zaujala obchodníky z Ruska a Kanady, kteří hledají jednoduché a spolehlivé zařízení do náročných klimatických podmínek v lokalitách, kam se dá jen s obtížemi dopravit nafta a už vůbec do nich nelze přivést elektřinu. Mikroelektrárna WAVE je totiž schopná pracovat zcela autonomně. A protože v těchto oblastech jsou i opravy velmi nákladné, musí být takové zařízení jednoduché a v případě poruchy snadno opravitelné. 

V okamžiku, kdy budou zprovozněny pilotní jednotky a technologie komerčně uspěje mimo naše hranice, bude možné začít pracovat i na snížení pořizovacích nákladů a připravit tak produkt i pro české domácnosti. Na první pohled se nebude nijak zvlášť lišit od běžného automatického kotle na dřevní štěpky, bude ovšem vedle tepla produkovat i elektřinu. A vyrobí jí tolik, že se za dobu své životnosti zaplatí.

Není náhodou, že tento nápad získal ekologického Oskara. Jedná se totiž o maximálně ekologické řešení. Jeden z pilotních projektů dokonce probíhá v prostoru chráněné krajinné oblasti. Pro životaschopnost projektu je také klíčové, že spolupráci FS a UCEEB aktivně podporuje děkan fakulty prof. Valášek a fakt, že již nyní má mikroelektrárna WAVE řadu nadšených obdivovatelů.
Prozatím zařízení dokáže vyrobit 50 kW tepla a 2 až 3 kW elektřiny, což stačí na provoz menší školky či úřadu, rodinného domku anebo může posloužit jako záložní zdroj. V tuzemsku tak mají o mikroelektrárnu WAVE v současné podobě zájem zejména malé obce, vlastníci lesů, zemědělci a provozovatelé penzionů a ubytoven, v zahraničí pak odlehlé komunity v klimaticky náročných oblastech. Jedno ze zařízení již pracuje v rámci objektu ČVUT UCEEB, který částečně vytápí a v případě výpadku elektrické energie funguje zároveň jako její záložní zdroj. Vývoj však směřuje k poměru 50 kW tepla a 10 kW elektrické energie, což možnosti využití zásadně rozšíří.

2. 8. 2017



3D tisk vyrobí letadlo i ozdobí dort

Širší veřejnost netuší, že pod Fakultu strojní ČVUT v Praze spadá celkem 16 výzkumných ústavů, na jejichž práci se významně podílejí i studenti během svého studia.

Výzkumný proces přitom představuje důležitý přínos nejen pro vlastní studium, výsledky projektů následně využívá pro své výrobní programy řada firem, které se do výzkumů rovněž zapojují.

V propojení obou těchto sfér – studijní a firemní – se pak naplňuje další smysl existence těchto ústavů. Za jejich zdmi se odehrávají zajímavé příběhy…

3D tisk nabývá celosvětově na důležitosti raketovou rychlostí. Jde o proces, při kterém počítačem řízený pohyb trysky vytváří z digitální předlohy (3D modelu) model fyzický. Lze tak vyrobit objekty nanometrických velikostí stejně jako i domy.
Mimo jiné i touto technologií se na půdě strojní fakulty zabývá Ústav mechaniky, biomechaniky a mechatroniky. Děkan FS prof. Michael Valášek před časem překvapil jeho pracovníky dotazem: „Nešlo by 3D tiskem ozdobit dort?“ Nejednalo se o žertovný námět k přemýšlení, jak zprvu předpokládali, ale o zadání úkolu. Zákusky, ozdobené s využitím 3D tiskárny, se totiž měly stát součástí pohoštění představenstva Svazu průmyslu a dopravy, jehož valná hromada se chystala na půdě fakulty. A tak se Petr Beneš a Jan Zavřel pustili do řešení neobvyklého úkolu…

Nprumysl/pribehy/Dort_3Dtisk.jpgejprve zbavili přístroj součástí, které se týkaly standardního tisku plastem, a nahradili je jinými, vhodnými pro tisk – čím vlastně? Jako první v řadě zkusili šlehačku, která se ovšem neosvědčila. „Ucpávala přístroj, nedržela tvar a vpíjela se do korpusu,“ vypočítává Petr Beneš hlavní potíže, jejichž řešení zabíhalo do oboru mechanika kapalin. Radil se proto i s manželkou, která ho shodou okolností vystudovala.

Konkrétním potřebám nakonec nejlépe vyhověl termix. 3D tisk písmen „SP“ - loga Svazu průmyslu a dopravy – ladili v první fázi na papír, v další pak už na řezy tiramisu, které (rovněž po určitém vybírání) objevili v jednom z hypermarketů. Po týdnu práce tak byly zákusky, zdobené 3D tiskem, na světě a členové představenstva Svazu průmyslu a dopravy je mohli nejen ochutnat, ale zároveň se i podívat na proces jejich zdobení.

„Tak to je mazec,“ komentoval informaci o unikátní tiskárně na facebookové stránce strojarna.cz jeden z uživatelů, který se v legraci rovnou zajímal: „Bude se stavět nějaká kantýna U tiskárny?“ „Zatím ne,“ dostalo se mu odpovědi, „ale zájem ze strany podnikatelů byl a je možný i další vývoj tohoto zařízení pro oblast gastronomie.“

11. 7. 2017