Графенови технологии

Възможности за използване в строителството

Графенът е материал, който представлява слой въглерод с дебелина точно един атом. За този слой може да се твърди, че е така да се каже двуизмерен, защото дебелината му е на практика нищожна. Той е толкова тънък, че е практически прозрачен за човешкото око. В същото време, за него учените твърдят, че има изключителна якост, защото разпределя натоварванията много балансирано. В същото време този тънък слой може отлично да провежда топлина и електричество.

Въпреки обещаващите характеристики на графена и оценките му целия свят, единствено Европейският съюз лансира дългосрочна стратегия за развитие на тази технология. Още през 2013 година беше взето решение да се инвестира в нейното бъдеще, като десетгодишният проект „Графеново лидерство“ бе подплатен с 1 милиард евро. Средставата бяха предназначени за насърчаване на научните институти и техни партньори от частния сектор, които да комерсиализират най-жизнеспособните научни постижения. В резултат на това вече са факт първите практически приложими графенови материали – например графенов бетон. Очакванията да тези изобретения да намерят място в нашите бъдещи сгради, жилища, летища и магистрали.

Двойно по-здрав бетон
И бетонът влиза в списъка на материалите, които графенът може да подобри. Учените от Центъра по графенови изследвания при Университета на Ексетър разработиха през 2018 година нова техника за вграждане на графен в производството на бетон с помощта на технология за наноинженерство. Полученият материал е два пъти по-здрав от този, с който строителната индустрия борави днес, но и „драстично намалява въглеродния отпечатък на традиционните методи за производство на бетон“.

При изпитването е установено, че бетонът, подобрен с графен, бележи 146% увеличение на якостта на натиск в сравнение с обикновения бетон. Регистрирано е 79,5% увеличение на якостта на огъване. Същевременно намалява водопропускливостта с почти 400%. Освен това, според изследователите, включването на графен в бетона позволява намаляване с около 50% на другите използвани материали. Според професорите от Университета на Ексетър, чрез включването на графен може да бъдат намалени количествата материали, необходими за производството на бетон, с около 50%. Това води до значително намаляване на въглеродните емисии – с 446 килограма на тон.

Най-хубавото, според учените, е че новата техника не изисква преоборудване на съществуващите производствени мощности. Тя е е съвместима с изискванията за модерното мащабно производство. Композитният материал може да се използва директно на строителните площадки. По комерсиализацията на графеновите технологии и продукти вече работи специално създадена за целта нова фирма. Тя си е поставила за цел съчетаването на бетона и графена така, че да гарантира по-добрите механични качества наред с намаляването на въглеродните емисии – ключова цел за цялата строителна индустрия, устремена към налагането на нулевоенергийни и нулевовъглеродни сгради в най-кратки срокове.

Антикорозионни покрития
В процес на разработване в момента са и антикорозионни покрития на база графен. Според Световната организация за корозия, индустриализираните страни изразходват приблизително 4% от годишния БВП за борба с ръждата и корозията. Графеновите материали могат да бъдат решение на тази скъпи поддържащи операции и разходи. Използването на графен може да забави корозията, когато се смеси с различни покрития. Това именно е една от крайните цели на ново направление в работата на инициативата на ЕС.

Очаква се новите изследванията да се насочат върху разработването на нови антикорозионни бои с графен, които използват свойствата на двуизмерния материал, за да се противопоставят по-добре на корозията и да намалят производствените разходи.

Поглъщане на въглеродни емисии
Това всъщност е едно от първите комерсиални приложения на графена. Във Великобритания вече се предлага „въглеродно неутрална“ графенова боя, която може да поема въглероден диоксид от въздуха. По данни на производителя, всеки един квадратен метър от тази боя може да абсорбира около 120 грама въглероден диоксид от атмосферата по време на целия си жизнен цикъл.

Порестата природа на боята, съставена от вар и графен, е направена така, че стените могат да „дишат“ свободно. По този начин се подобрява качеството на въздуха в помещенията. Намалява се влажността, което пък предпазва от натрупване на влага и конденз.

Наред с това специалната боя съдържа свръх-ниски нива на замърсители, такива като летливи органични съединения, формалдехид, тежки метали, токсични вещества, канцерогени и вредни агенти като като биоциди или пластификатори. Благодарение на това е призната от „зелените“ органи по строителството като BREEAM, LEED и др.

Ултраздрави полимери
Ултраяките полимери могат да намерят място в различни индустрии, включително и в създаването на бъдещите сгради и заобикалящата ни околна среда. През 2017 година в Барселона бе демонстриран състезателен автомобилен болид, изработен от ултраздрав полимер с графен. Той няма шанс да се смачка при сблъсък, което означава, че в недалечно бъдеще можем да имаме автомобили, „леки като перце“ и в същото време ултраздрави. Създателите на полимера, водещи сред които са учени от Италианския технологичен институт, казват, че при сблъсък графенът разпределя силата от резкия удар по-добре от всеки друг материал. Затова графеновите полимери обещават значително по-голяма сигурност по отношение на здравина, напрежение и удар.

Ултра-здравите полимери могат да намерят приложение в строителството при създаването на дълготрайни и яки прозорци, облицовъчни и покривни системи и други. В прозоречните системи здравината е от ключово значение. През последните десетилетия големите остъкления, изцяло стъклените фасади и дори жилищните прозорци „от пода до тавана“ станаха еталон за предпочитаните сгради и сградни пространства. Графеновите полимери отговарят на голямото предизвикателство на тази тенденция – нуждата от здрави и същевременно фини конструкции, способни да издържат на огромните натоварвания на големите остъкления.

Същата здравина и устойчивост на графеновите полимери са от решаващо значение и при създаването на други изделия, например витла за самолети и дронове. Това може да означава летателни апарати, чиито „перки“ са много по-издържливи и дълготрайни, въпреки силното въздушно триене при работа. Нещо повече: разработчиците са убедени, че с напредъка на 3D печата ще стане възможно компоненти с висока якост и устойчивост да се „произвеждат“ повсеместно чрез 3D принтери. Графенови ултраздрави витла ще могат да се „отпечатват“ по всяко време от всекиго и навсякъде.

Екологичност и пречистване на вода
Премахването на замърсители от водата става належаща задача за обществата по целия свят. Водите, които се оттичат в каналите ни, съдържат какво ли не - препарати, пестициди, тежки метали и патогени. Пречистването обаче може да стане много по-ефективно с помощта на графен, отколкото с другите познати досега технологии. Като част от най-новите разработки на европейската инициатива „Графеново лидерство“ един нов проект на име GRAPHIL търси най-добрия начин за производство на иновативни филтри за пречистване на вода в домакинствата и преносимо филтриране на вода чрез графен. С прогнозна дата за комерсиализация през 2023г., проектът има за цел да създаде компактен филтър, който може да бъде свързан директно към ВиК системата на жилищните сгради. Така би трябвало да се гарантира, че всички домакинства имат достъп до безопасна питейна вода.

Графенът благоприятства усвояването на органичните молекули, казват учените, които стоят зад начинанието. Свойствата му също така позволяват да се свързва с йони и метали, като по този начин е способен да намалява неорганичните замърсители във водата. Наред с това, за разлика от типичната обратна осмоза, гранулирания активен въглен и микрофилтрационните системи, графеновата технология ще осигури много по-опростен метод за използване. Филтрите с такава графенова технология няма да изискват специални умения у потребителите. "Филтрите GRAPHIL работят като обикновена микрофилтрационна мембрана", обяснява ръководителят на проекта GRAPHIL. "Тази простота означава по-ниски експлоатационни налягания, което води до намалени загуби на вода и по-ниски разходи за поддръжка за крайните потребители."

Това не е първият път, когато графенът се оказва идеален за пречистване на вода. През 2017г. учени от Университета в Манчестър създадоха графеново сито, което е в състояние да премахва солта от морската вода. Разработката може да помогне на милиони хора по света, които живеят край морета и океани, но нямат сладка, питейна вода. В този случай се използват мембрани от графенов оксид. Те доказаха своите способности при филтрирането на малки наночастици, органични молекули и дори големи соли от водата. До 2017 година графеновата технология не беше приложима за филтриране на обикновени соли, чиито молекули са много дребни. Учените от Манчестър обаче намериха начин да препроектират материала така, че мембраната да може да се контролира пропускането на соли.

Графенови дисплеи
Свикнали сме във всяка голяма обществена сграда да има огромни екрани, показващи актуална информация за посетителите, а по-дръзките мечтатели си представят цели стени в сградите да са дисплеи, показващи различно съдържание. Това може да се случи посредством графенови рефлективни дисплеи. Рефлективни дисплеи на база графен са способни да пестят енергия и да излъчват приятни, натуралистични цветове. Те са тънки и леки. Могат да достигнат „колосална“ резолюция.

Такива графенови рефлективни дисплеи се разработват в момента от екип на Техническия университет в Делфт. Технологията е известна като GIMOD (дисплеи на база графенова интерферометрична модулация). Реално пикселите в екрана представляват механични микро-огледала. Те отразяват околната бяла светлина фино и прецизно, възпроизвеждайки приятни, натурални цветове. Ултрамалките механични пиксели са полупрозрачни мембрани, които се управляват с помощта на електричество. Околната светлина се модулира чрез промяна на разстоянието между графеновата мембрана и рефлективния слой под нея. Това създава оптично взаимодействие, което потиска определени цветове от бялата светлина.

Излсдователите от Делфт са на мнение, че това е най-добрият материал за механични пиксели. Той позволява графеновите пиксели да са тънки и леки. Чрез тях рефлективните дисплеи ще могат да постигнат висока честота при много ниска консумация на енергия. Благодарение на лекотата и малкия размер на пиксела, те ще могат да предложат феноменална разделителна способност.

Нови възможности пред интегрирането на ВЕИ технологии
Всъщност, най-влиятелните приложения на графена са в света на енергетиката. Двуизмерният материал се сочи като революция за фотоволтаичните технологии, ветроенергийните системи и акумулаторните масиви. Доколкото тези технологии са на път да станат интегрална част от новото поколение сгради, графеновите иновации в енергетиката ще играят роля и в бъдещите сградни системи.

Графеновите соларни клетки са една от областите, в които се провеждат многобройни изследвания. Най-често това са соларни клетки от органичен материал, известен като „перовскит“ - но не само. Добавянето на графен подобрява свойствата на фотоволтаичните материали по различни начини. При перовскитните модули най-честата роля на графена е да осигури трайност. Тъй като перовскитните съединения деградират бързо, графенът се прилага за запазване на структурите и удължаване живота на клетките. При други технологии за фотоволтаика графенът се прилага за „забавяне на светлината“, така че клетката да може да улови и преобразува повече светлина.

При всички положение постиженията на графена във фотоволтаиката могат да се появят на пазара най-рано след няколко години.

Във ветроенергийните технологии графенът има място по няколко начина. Както вече стана ясно, той може да гарантира якостта на полимерни съединения, което е от ключово значение за изработката на здрави и леки витла за ветрогенераторите. Наред с това графенът може да направи мачитите на вятърните тубрини по-леки без компромис в здравината. Най-сетне, наскоро този двуизмерен материал се оказа и много ефективен за направата на „ултраефективни лубриканти“. При коефициент на триене от порядъка на 0,01 турбините биха работили много дълго без износване на въртящите се части.

Батериите са третата сфера на приложение на графена, която касае енергетиката и отчасти – новото поколение сградна среда. Тук техните предимства са най-малко две.

Размерът на графеновите батерии е значително по-малък от този на масовите литиево-йонни акумулатори. По време на Световния Мобилен Конгрес през 2017 година учени от Италианския технологичен институт показаха батерия, която има капацитета да поддържа работата на смартфон – с капацитет 2220 mAh – но с размер на „батерия-монета“. Това означава, че акумулаторната система за задвижване на електромобил би била голяма колкото стек цигарени кутии. За сградите, при които се търси енергийна самодостатъчност или най-малкото резервно батерийно захранване, това означава, че няма да са нужни големи пространства със специална климатизация, каквито са понастоящем залите с акумулаторни механизми и „топли“ дизелови генератори. Вместо това ще е достатъчно пространство колкото един килер.

Бързината на зареждане е другият важен фактор при графена. Демонстрираната „батерия-монета“ с капацитет за захранване на един смартфон е способна да се зарежда за около 20 секунди, ако се изработва от графенов оксид, и само за 7 секунди, ако е направена от чист графен. С други думи, компактните графенови акумулатори „в килера“ ще могат да се се зареждат за броени минути.

Наред с всичко това графенът може да играе ключова роля за комерсиализирането на евтини технологии за разделяне на водата на водород и кислород в полза на водородните енергийни системи – например превозните средства с водородни горивни клетки.