Zespół specjalistów z Concordia University opracował coś, co dało życie konkretowi – pionowej turbinie wiatrowej i zakrzywionych łopatach. W praktyce chodzi o produkcję elementów, które startują jako płaskie płyty, a później same przyjmują zaprojektowany kształt. Potencjał tego podejścia jest więc nie bez powodu wręcz przeogromny.
Druk 4D nie oznacza drukarki z dodatkowym wymiarem
Zacznijmy od samego pojęcia druku 4D, bo ten termin jest nieco rozdmuchany na pierwszy rzut oka. W rzeczywistości nie chodzi o drukowanie w czterech wymiarach, tylko o materiały i struktury, które zmieniają swój kształt po czasie albo pod wpływem bodźca. Czwartym wymiarem jest tutaj właśnie czas. Element nie musi być od razu końcową bryłą, bo projektuje się go tak, aby po utwardzeniu, schłodzeniu, podgrzaniu, zawilgoceniu lub innym kontrolowanym zdarzeniu sam przeszedł w pożądaną geometrię.
Czytaj też: Bateria jakiej jeszcze nie było. Zasili, a potem zniszczy urządzenie… i to celowo
W przypadku nowych prac mówimy o płaskich kompozytach węglowo-epoksydowych, z których to specjaliści stworzyli zakrzywione łopaty do pionowych turbin wiatrowych. Sam komunikat uczelni podkreśla, że metoda ma pozwolić na tańszą i efektywniejszą produkcję niż przy standardowych rozwiązaniach aluminiowych. Najciekawsze jest jednak nie to, że użyto w tym procesie włókna węglowego, bo to od lat kojarzy się z lekkością, sztywnością i wysoką ceną. Istotniejszy jest sposób projektowania.
Badacze zastosowali “odwrócone” podejście. W efekcie zamiast ułożyć warstwy włókien, sprawdzić, jak całość się odkształci, a potem poprawiać projekt metodą prób i błędów, zaczęli od docelowej geometrii łopaty. Dopiero później wyliczali, jak powinny być ułożone i zorientowane warstwy, żeby płaski laminat po procesie utwardzania oraz chłodzenia sam przeszedł w odpowiedni kształt.
Płaski panel, który po schłodzeniu staje się łopatą
W klasycznym myśleniu o zakrzywionych elementach konstrukcyjnych naturalnie pojawia się forma. Chcemy mieć krzywiznę, więc potrzebujemy narzędzia, które ją wymusi. W przypadku łopat pionowych turbin wiatrowych takie formy bywają skomplikowane, kosztowne i czasochłonne, a do tego potrafią zwiększać masę i utrudniać produkcję mniejszych serii. Przy wielkich turbinach morskich skala inwestycji jest zupełnie inna, ale przy turbinach miejskich, dachowych, budynkowych czy lokalnych każdy dodatkowy etap produkcji zaczyna boleć bardziej.
Zaprezentowana metoda naukowców omija część tego problemu w bardzo elegancki sposób. Płaskie laminaty z włókna węglowego i żywicy epoksydowej są utwardzane, a potem podczas chłodzenia naturalnie deformują się do zaplanowanej geometrii. Nie jest to przypadkowe wyginanie, tylko efekt kontrolowanych różnic właściwości materiałowych między warstwami. Innymi słowy, materiał ma w sobie zaprogramowane naprężenia i anizotropię, które po zakończeniu procesu produkcyjnego wykonują część pracy za producenta.
Czytaj też: Włosi wsadzili ołów do reaktora bez paliwa. Atom przyszłości zaczyna się od reaktora bez atomu
Patrzę na to trochę jak na przemysłowe origami, ale bez żadnego ręcznego składania. Płyta dostaje bowiem instrukcję zapisaną nie tuszem, a orientacją włókien. Później to fizyka robi resztę. Właśnie ten detal wydaje mi się najważniejszy, bo energetyka przyszłości nie będzie zbudowana wyłącznie z większych farm i mocniejszych generatorów. Równie ważne będą technologie, które pozwolą produkować elementy szybciej, lżej, taniej i z mniejszą liczbą wyspecjalizowanych narzędzi.
Według badaczy powstałe kompozytowe łopaty bardzo dobrze odwzorowały kształt komercyjnych łopat aluminiowych, a jednocześnie ważyły około 80 procent mniej. W testach laboratoryjnych turbiny wyposażone w nowe łopaty obracały się szybciej niż warianty z łopatami aluminiowymi. Patrząc jeednak na to krytycznie, mniejsza masa może naturalnie oznaczać niższe obciążenia, łatwiejszy start przy słabszym wietrze, prostszy montaż i mniej materiału w całej konstrukcji. Może też jednak prowadzić do pytań o trwałość i powtarzalność produkcji.
Dlaczego pionowe turbiny wiatrowe w ogóle mają sens?
Wielkie trzyłopatowe turbiny poziome zdominowały wyobraźnię, bo są najbardziej widocznym symbolem energetyki wiatrowej. Widać je z kilometrów, ich łopaty mają długość porównywalną z wieżowcami, a kolejne rekordowe konstrukcje regularnie pokazują, jak daleko da się przesunąć granice skali. Pisałem już o tym przy największych turbinach morskich, gdzie sama średnica wirnika potrafi robić większe wrażenie niż moc generatora.
Tyle że miasto, dach budynku, kampus, zakład przemysłowy albo niewielka instalacja lokalna nie są miniaturową wersją Morza Północnego. Warunki są tam znacznie bardziej chaotyczne. Wiatr zmienia kierunek, odbija się od budynków, wpada w turbulencje i rzadko zachowuje się tak grzecznie, jak życzyłby sobie projektant klasycznej turbiny. Dlatego pionowe turbiny wiatrowe wracają w dyskusjach o energetyce rozproszonej. Nie muszą stale ustawiać się do kierunku wiatru w taki sam sposób jak klasyczne konstrukcje poziome, łatwiej wyobrazić je sobie na budynkach, a ich forma bywa wygodniejsza w ciasnym otoczeniu.
Nie oznacza to oczywiście, że pionowe turbiny nagle zastąpią ogromne farmy wiatrowe. Ich problemem pozostają sprawność, trwałość, hałas, wibracje i opłacalność przy realnym, zmiennym wietrze miejskim. Właśnie dlatego metoda produkcji łopat jest tutaj tak interesująca. Jeżeli mniejsze turbiny mają mieć sens, to muszą zejść z kosztów i masy, a jednocześnie nie mogą stać się konstrukcjami tak delikatnymi, że pierwsza poważniejsza wichura zamieni je w kosztowny eksperyment.
Mała energetyka wiatrowa potrzebuje nie tyle rewolucji, ile odchudzenia
W ostatnich latach często wracałem do wrażenia, że wiatraki utknęły między dwoma światami. Z jednej strony mamy ogromne turbiny, które stają się coraz większe, cięższe i bardziej wyspecjalizowane. Z drugiej strony mamy falę pomysłów na alternatywy, od systemów latających po konstrukcje przypominające ruchome skrzydła na torze. Widać to przy Airborne Wind Energy, gdzie zamiast klasycznej wieży pojawia się latający system na uwięzi, oraz przy Airloom Energy, które traktuje wiatr bardziej jak napęd dla ruchomej infrastruktury niż dla zwykłego wirnika.
Czytaj też: Fuzja jądrowa przestała tylko grzać plazmę. Amerykański startup wyciągnął z niej prąd
Na tym tle projekt badaczy jest bardziej przyziemny w dobrym znaczeniu. Nie obiecuje końca klasycznych turbin. Nie udaje, że jutro dachy wszystkich bloków zamienią się w prywatne elektrownie. Pokazuje za to, że można poprawić jeden z fundamentów – sposób wytwarzania zakrzywionych elementów kompozytowych. Jeżeli taki proces da się skalować, może przydać się nie tylko w małych turbinach wiatrowych, ale też w innych strukturach, w których krzywizna, masa i koszt formowania mają znaczenie.
Naturalnie takie technologie zwykle nie zmieniają świata z dnia na dzień. Najpierw pojawia się demonstrator. Później testy trwałości. Następnie pytania o produkcję seryjną, certyfikację, koszty, serwis i recykling. Dopiero po tym wszystkim można mówić o realnym wpływie na rynek. Przypomina mi to ostrożność, z jaką trzeba podchodzić do wyników w energetyce słonecznej – przy laboratoryjnych rekordach fotowoltaiki najważniejsze jest rozróżnienie między efektem naukowym a gotowym produktem, który można zamontować na dachu.
Mimo tego nie bagatelizowałbym tego kierunku. Świat już teraz inwestuje gigantyczne pieniądze w czystą energię, sieci, magazyny i elektryfikację, a energia słoneczna oraz wiatrowa stały się jednymi z najważniejszych elementów tej zmiany. Widać to przy szerszej energetycznej rewolucji, gdzie liczy się nie jedna cudowna technologia, ale suma wielu usprawnień, które razem zaczynają przesuwać realną gospodarkę.
Źródła: Concordia University
