Τα τελευταία χρόνια τα υλικά PCMs για αποθήκευση θερμικής ενέργειας λανθάνουσας θερμότητας (Latent Heat Thermal Energy Storage: LHTES) έχουν τραβήξει την προσοχή τόσο στο επιστημονικό όσο και στο τεχνολογικό χώρο λόγω της αποδοτικής χρήσεώς τους για διάφορες εφαρμογές. Σήμερα η χρήση των PCMs για LHTES τους ως θεωρείται η προτιμότερη μέθοδος, λόγω της ασφάλειας, σταθερότητας και της υψηλής πυκνότητας ενεργειακής αποθήκευσης που προσφέρουν. 

Πάνω από 200 ενώσεις έχουν χρησιμοποιηθεί ως PCMs, ανάμεσά τους αρκετές εμπορικές ενώσεις, οι οποίες γενικά κατατάσσονται σε τρεις κατηγορίες: οργανικά (παραφίνες ή άλλες οργανικές ενώσεις κυρίως λιπαρά οξέα), ανόργανα (ένυδρα άλατα) και ευτηκτικά (διάφορα μείγματα αλάτων). Όταν τα υλικά αυτά εισάγονται στα εξωτερικά ή εσωτερικά δομικά στοιχεία ενός κτιρίου, κατά τη διάρκεια της ημέρας απορροφούν θερμότητα από το περιβάλλον. 

Καθώς τήκονται σταθεροποιούν την εσωτερική θερμοκρασία του κτιρίου. Η χρήση των PCMs σε κτίρια αποτρέπει απότομες αλλαγές στην εσωτερική τους θερμοκρασία και εξοικονομεί ενέργεια μειώνοντας τις απαιτήσεις θέρμανσης / ψύξης. Εδώ και δεκαετίες, τα PCMs παραφίνης 4 είναι τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα υλικά ως μέσα αποθήκευσης λανθάνουσας θερμότητας για θερμική αναβάθμιση γυψοσανίδων και συναφών προϊόντων, γύψων. Ο λόγος για αυτό είναι πολύ απλός. Σε εσωτερικά κατασκευών, τα PCMs παραφίνης παρουσιάζουν θερμοκρασία τήξης μεταξύ 19 και 24°C και επομένως μπορεί να χρησιμοποιηθούν με τα καλύτερα αποτελέσματα, δεδομένου ότι η περιοχή αυτή θερμοκρασιών είναι κοντά στο λεγόμενο ανθρώπινο επίπεδο άνεσης. 

Οι θερμοκρασίες τήξης κεριών παραφίνης όπως η-εξαδεκάνιο, η-επταδεκάνιο και η-οκταδεκάνιο ταιριάζουν απόλυτα με την απαιτούμενη για το σκοπό αυτό περιοχή θερμοκρασιών. Η πλέον απλή μέθοδος της ενσωμάτωσης των PCMs σε γυψοσανίδες είναι ο απευθείας εμποτισμός τους με τα PCMs σε υγρή μορφή ή η ενθυλάκωση των PCMs σε μικροκάψουλες (κυρίως πολυμερικές) που εισάγονται στο ρευστοποιημένο γύψο. Σημαντικά αναβαθμισμένα πρόσθετα παράγονται όταν τα PCMs ενισχύονται με νανουλικά άνθρακα5 η ενθυλακώνονται σε πορώδη υλικά που δρουν ως σταθεροποιητές σχήματος και οδηγούν σε σύνθετες γυψοσανίδες υψηλής απόδοσης. 

Οι σανίδες αυτές μπορούν να περιέχουν και άνω του 50% κατά βάρος σε PCMs τα οποία λόγω της ενθυλάκωσης στους σταθεροποιητές σχήματος εμφανίζουν εξαιρετική θερμική απόδοση-σταθερότητα αλλά και υψηλή θερμική αγωγιμότητα. Για κάθε περιοχή και ανάλογα με τις κλιματικές συνθήκες που επικρατούν μπορεί να επιλεγεί το κατάλληλο PCM που χαρακτηρίζεται από συγκεκριμένη θερμοκρασία αλλαγής φάσης.

 

 

Από την άλλη πλευρά, τα τελευταία χρόνια η πρόοδος της τεχνολογίας συγχρόνως με την αύξηση του όγκου μετάδοσης της πληροφορίας έχει αναπόφευκτα οδηγήσει στη ανάπτυξη τεχνολογιών επικοινωνίας που λειτουργούν σε υψηλές ταχύτητες μετάδοσης δεδομένων, για τις οποίες είναι απαραίτητη η χρήση υψηλών συχνοτήτων δηλαδή στη μικροκυματική περιοχή. Ηλεκτρονικές συσκευές οι οποίες χρησιμοποιούνται ευρύτατα αφορούν τηλεπικοινωνιακούς δορυφόρους, διάφορα συστήματα ραντάρ, ασύρματα τοπικά δίκτυα, κινητή τηλεφωνία και πολλά άλλα. 

Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα που παράγονται από αυτές τις ηλεκτρονικές συσκευές επηρεάζουν την λειτουργία άλλων συσκευών με δυσμενή αποτελέσματα. Αυτό είναι το γνωστό φαινόμενο της ηλεκτρομαγνητικής παρεμβολής (electromagnetic interference ή EMI), η οποία μπορεί να προκαλέσει δυσλειτουργία σε ευαίσθητες ιατρικές συσκευές, διάφορα ρομποτικά συστήματα ή ακόμη και βλάβες στον ανθρώπινο οργανισμό και έτσι καταλήγει σε δημόσιο μπελά για τον άνθρωπο. 

Πιθανές δημόσιες και/ή ιδιωτικές περιοχές που μπορούν να επηρεαστούν σημαντικά από τη ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία είναι σχολεία, παιδικοί σταθμοί, οικίες, δωμάτια ξενοδοχείων, δωμάτια νοσοκομείων και γενικότερα ιατρικοί χώροι, ερευνητικοί/επιστημονικοί χώροι αλλά και ο περιβάλλον χώρος ηλεκτρονικών συσκευών, ειδικά αυτών που αφορούν την εκπομπή και λήψη σημάτων. Για να αντιμετωπιστούν τα προβλήματα αυτά ήταν και είναι απαραίτητη η ανάπτυξη υλικών θωράκισης για τις ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές για την περιοχή των μικροκυμάτων. Η ανάπτυξη και ο χαρακτηρισμός των υλικών αυτών γίνεται με γοργό ρυθμό και με όλο και μεγαλύτερο ενδιαφέρον. 

Βασικά υπάρχουν δύο μέθοδοι θωράκισης από ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία: (α) με απορρόφηση, όπου ένα απορροφητικό υλικό μετατρέπει την προσπίπτουσα ακτινοβολία σε θερμότητα ή και άλλου είδους ενέργεια ωφέλιμη ή όχι, και (β) με ανάκλαση, όπου ένα υλικό ανακλά, προς μία ή περισσότερες διευθύνσεις, την προσπίπτουσα σε αυτό ακτινοβολία μίας ή περισσοτέρων συχνοτήτων. Οι μέθοδοι αυτές βασίζονται σε φυσικά υλικά ή σύνθετα υλικά, με την σχετική απόδοση να εξαρτάται από τον τρόπο κατασκευής τους, τη γεωμετρία τους, τις ηλεκτρικές τους ιδιότητες καθώς και τις ιδιότητες της προσπίπτουσας ακτινοβολίας (συχνότητα, πόλωση, κατανομή και ισχύ). 

Συνήθως, τα υλικά που χρησιμοποιούνται για ηλεκτρομαγνητική θωράκιση είναι μεταλλικού τύπου, με ότι αυτό συνεπάγεται αναφορικά με την ευχρηστία και την αντοχή στο περιβάλλον. Στη αιχμή της τεχνολογίας σήμερα βρίσκονται καινοτόμα σύνθετα υλικά που διαθέτουν άριστες ιδιότητες ηλεκτρομαγνητικής θωράκισης αλλά και πολύ καλές μηχανικές ιδιότητες, μειωμένο βάρος, είναι περισσότερο ελαστικά, δεν διαβρώνονται, δεν οξειδώνονται και μπορούν να αντικαταστήσουν με μεγάλη επιτυχία τα μεταλλικά υλικά σε πάρα πολλές εφαρμογές. 

Η νανοτεχνολογία φαίνεται να αποτελεί μία άριστη προσέγγιση προς την κατεύθυνση αυτή, λόγω των μοναδικών φυσικών και χημικών ιδιοτήτων διαφόρων νανοϋλικών, όπως για παράδειγμα το γραφένιο, οι νανοσωλήνες και οι νανοΐνες άνθρακα9,10, τα μεταλλικά νανοσωματίδια 11 και οι νανοδομές οξειδίων μετάλλων 12,13, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως νανοπρόσθετα για την ανάπτυξη νανοσύνθετων υλικών. Τα νανοϋλικά αυτά χρησιμοποιούνται σήμερα σε συνδυασμό με δομικά ή γενικά κατασκευαστικά υλικά, όπως προϊόντα τσιμέντου, πολυμερών και κεραμικών με πολύ ελπιδοφόρα αποτελέσματα.

Η πρόταση στηρίζεται σε δύο παράλληλες καινοτόμες δράσεις. 

Η 1η δράση αφορά την παρασκευή οργανικών PCMs από παραφίνες (C16-C18, n-οκταδεκάνιο) ενισχυμένων με νανοσωλήνες άνθρακα πολλαπλού τοιχώματος (Multi-Walled NanoTubes-MWNTs) τα οποία θα προσροφηθούν σε πορώδη ενεργό άνθρακα (Activated Carbon-AC) ή διογκωμένο γραφίτη (Expanded Graphite-EG) που θα λειτουργήσουν ως σταθεροποιητές σχήματος (Shape Stabilizers-SS). Όταν τα υλικά αυτά εισάγονται στα εξωτερικά ή εσωτερικά δομικά στοιχεία ενός κτιρίου, κατά τη διάρκεια της ημέρας απορροφούν θερμότητα από το περιβάλλον. Καθώς τήκονται σταθεροποιούν την εσωτερική θερμοκρασία του κτιρίου. Η χρήση των PCMs σε κτίρια αποτρέπει απότομες αλλαγές στην εσωτερική τους θερμοκρασία και εξοικονομεί ενέργεια μειώνοντας τις απαιτήσεις θέρμανσης / ψύξης. 

Η 2η δράση αφορά την ανάπτυξη σύνθετων κεραμικών αφρών (Ceramic Foams-CF) με ενθυλάκωση γραφίτη ή ενεργού άνθρακα, τα οποία ως πληρωτικά υλικά γυψοσανίδων και τσιμεντοσανίδων θα τις ενισχύσουν με ιδιότητες ηλεκτρομαγνητικής θωράκισης. Τα προηγμένα δομικά υλικά που θα αναπτυχθούν θα μπορούν να προσροφούν ηλεκτρομαγνητική (ΕΜ) ακτινοβολία και να χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές ηλεκτρονικής θωράκισης ως ασπίδες ηλεκτρονικών παρεμβολών (ElectroMagnetic Interference-ΕΜΙ). Ως πρώτες ύλες για την ανάπτυξη των κεραμικών αφρών θα χρησιμοποιηθεί κυρίως ερυθρά ιλύς (red mud), ένα κατάλοιπο από την προ απαιτούμενη επεξεργασία του βωξίτη της εγχώριας βιομηχανίας αλουμινίου και ανακτημένο υαλόθραυσμα, γεγονός που εγγυάται το χαμηλό κόστος παραγωγής των μητρών και το περιβαλλοντικό όφελος. Επιπρόσθετα, οι κεραμικοί αφροί- μήτρες μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως σταθεροποιητές σχήματος των PCMs για παραγωγή άλλου τύπου δομικών στοιχείων με χρήση υλικών μεταβολής φάσεως.

Τα νέα δομικά στοιχεία που θα αναπτυχθούν θα χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή πρωτότυπου δωματίου μετρήσεων για την αξιολόγηση της απόδοσης των νέων δομικών στοιχείων ως μέσων αποθήκευσης θερμικής ενέργειας και ως ασπίδων παρεμβολών ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Τόσο οι ερευνητικές ομάδες όσο και οι εμπλεκόμενες επιχειρήσεις στο έργο έχουν την απαιτούμενη εμπειρία και τεχνογνωσία ώστε να ολοκληρώσουν με επιτυχία τις ενότητες εργασίας που αναλαμβάνουν, δημιουργώντας νέα καινοτόμα ανταγωνιστικά προϊόντα. Τα αποτελέσματα του έργου αναμένουμε να προβάλουν και να αναδείξουν την συνεισφορά της νανοτεχνολογίας και των νέων τεχνολογιών παραγωγής υλικών στην τεχνολογία των έξυπνων κατασκευών. 

Η κύρια καινοτομία του έργου αφορά την ανάπτυξη νέων προηγμένων δομικών στοιχείων τύπου ξηράς δόμησης που θα φέρουν υβριδικές ιδιότητες ώστε ταυτόχρονα να εξοικονομούν ενέργεια μειώνοντας τις απαιτήσεις θέρμανσης / ψύξης των κατασκευών στις οποίες χρησιμοποιούνται ενώ παράλληλα απορροφούν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία λειτουργώντας ως ασπίδες προσφέροντας ηλεκτρονική θωράκιση. Παράλληλα όμως στο πλαίσιο του παρόντος έργου καινοτόμες δράσεις είναι και :
i) η ανάπτυξη σύνθετων υλικών PCMs ενισχυμένων θερμικά και ταυτόχρονα σταθεροποιημένων σχηματικά με δύο νανουλικά άνθρακα ώστε να μην χρειάζονται ενθυλάκωση σε μικρο ή μακρο κάψουλες.
ii) η ανάπτυξη σύνθετων κεραμικών αφρών με ενθυλακωμένο γραφίτη ή άλλες μορφές άνθρακα, σε ένα στάδιο χαμηλής ενεργειακής απαίτησης, οι οποίοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως νέες ασπίδες ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας.
iii) η χρήση βιομηχανικών καταλοίπων της εγχώριας βιομηχανίας και του ανακτημένου υαλοθραύσματος, ως πρώτων υλών για την παρασκευή προηγμένων υλικών ευρείας χρήσεως γεγονός που μειώνει το εθνικό οικολογικό αποτύπωμα και ενισχύει την κυκλική οικονομία.

Tο έργο επίσης αποσκοπεί στην αποτελεσματική και ουσιαστική σύμπραξη δύο ερευνητικών φορέων με δύο επιχειρηματικούς φορείς και στην εκτεταμένη ανταλλαγή τεχνογνωσίας μεταξύ τους για την ανάπτυξη προηγμένων δομικών υλικών με τη βοήθεια των νέων εξελίξεων στον τομέα των νανοϋλικών άνθρακα και των διαδικασιών παραγωγής κεραμικών υλικών. Δυνητικοί χρήστες των καινοτόμων δομικών υλικών είναι εταιρίες και ιδιώτες που ενδιαφέρονται να κατασκευάσουν κατοικίες και πάσης φύσεως κτίρια με βελτιωμένο ενεργειακό και περιβαλλοντικό αποτύπωμα.

 

 

Το συνεργατικό σχήμα του έργου αποτελείται από δύο ερευνητικούς φορείς, το Εργαστήριο Κεραμικών και Σύνθετων Υλικών (CCL) του Τμήματος Μηχανικών Επιστήμης Υλικών του Πανεπιστημίου Ιωαννίνων (ΠΙ), το Εργαστήριο Φωτονικών-, και Μετα-υλικών (PPM Group, IESL-FORTH) Ινστιτούτο Ηλεκτρονικής Δομής και Λέιζερ (ΙΗΔΛ) του Ιδρύματος Τεχνολογίας Έρευνας (ΙΤΕ) και δύο επιχειρηματικούς φορείς, την ΤΕΚΜΑΡ Ο.Ε. (ΤΕΚΜΑΡ) εταιρεία παροχής ολοκληρωμένων λύσεων περιβαλλοντικής και ενεργειακής διαχείρισης κτιριακών έργων και ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και η εταιρία Energy Houses (ENHSS) η οποία δραστηριοποιείται στο χώρο των προκατασκευασμένων ενεργειακών κατοικιών, συνδυάζοντας άρρηκτα την υψηλή ποιότητα με το ιδιαίτερα χαμηλό κόστος.

Το SEMI-WEB υλοποιείται στο πλαίσιο της Δράσης Εθνικής Εμβέλειας “ΕΡΕΥΝΩ – ΔΗΜΙΟΥΡΓΩ – ΚΑΙΝΟΤΟΜΩ” της Παρέμβασης ΙΙ (Β' κύκλος)– Συμπράξεις Επιχειρήσεων με Ερευνητικούς Οργανισμούς, η οποία συγχρηματοδοτείται από εθνικούς πόρους (μέσω του Ε.Π. Ανταγωνιστικότητα, Επιχειρηματικότητα & Καινοτομία – ΕΠΑνΕΚ, ΕΣΠΑ 2014-2020) και από κοινοτικούς πόρους (Ευρωπαϊκή Ένωση, Ευρωπαϊκό Ταμείο Περιφερειακής Ανάπτυξης) (κωδικός έργου Τ2ΕΔΚ-02073).