Od zimnej plazmy po lasery. Siła kobiet w naukach technicznych

Rozstrzygnięty w ubiegłym roku konkurs Small Grant Scheme (SGS) to część Programu „Badania stosowane”, finansowanego z Funduszy Norweskich i Funduszy Europejskiego Obszaru Gospodarczego (EOG). Celem konkursu jest wsparcie polskich kobiet naukowców w tych dziedzinach nauki, gdzie udział kobiet jest najmniejszy, w szczególności w stosowanych naukach technicznych. Dofinansowanie na dwuletnie projekty zostało pierwotnie przyznane 27 polskim badaczkom. W ostatnim czasie, dzięki staraniom NCBR, także dodatkowe 4 projekty z listy rezerwowej uzyskały wsparcie. To w sumie ponad 5 mln euro.

– Celem naszej inicjatywy, realizowanej dzięki Funduszom Norweskim, było wsparcie kobiet naukowców w tych dziedzinach nauki, gdzie ich reprezentacja jest najmniejsza. Jak pokazują badania Głównego Urzędu Statystycznego, zdecydowana większość nowo wypromowanych doktorów w grupie nauk inżynieryjnych i technicznych to mężczyźni (65,1% w roku 2019), a dysproporcja ta jest jeszcze bardziej wyraźna wśród nowych doktorów habilitowanych w tych dziedzinach (70,9% mężczyzn). Tym bardziej gratuluję wszystkim zdobywczyniom grantów. Jestem przekonany, że rezultaty ich nowatorskich projektów będą mówiły same za siebie, przyczyniając się do osiągania przez ich kierowniczki kolejnych szczebli kariery naukowej, z pożytkiem dla gospodarki, rozwoju społecznego i faktycznej równości szans w obszarze B+R – mówi dr Remigiusz Kopoczek, p.o. dyrektor Narodowego Centrum Badań i Rozwoju.

Poznajcie zatem pięć ambitnych, pracowitych i odważnych Polek oraz ich projekty.

Zimna plazma pomoże oczyszczać wodę w przemyśle włókienniczym

Projekt dr inż. Lucyny Bilińskiej z Wydziału Inżynierii Procesowej i Ochrony Środowiska Politechniki Łódzkiej nastawiony jest na rozwiązanie ściśle sprecyzowanego zagadnienia technicznego – „Nowoczesna technika oczyszczania i recyklingu ścieków włókienniczych realizowana z wykorzystaniem katalizatorów plazmowych”.

Z produktów przemysłu włókienniczego, jak chociażby odzieży, korzystamy na co dzień. Niestety, podobnie jak każda działalność przemysłowa, włókiennictwo wpływa negatywnie na środowisko naturalne. Największe obciążenie dla środowiska, które powoduje masowa produkcja tekstyliów, to ogromne ilości zużywanej wody i emitowanych ścieków.

Oczyszczenie silnie zanieczyszczonych ścieków to duże wyzwanie techniczne, z którym postanowiła się zmierzyć dr inż. Lucyna Bilińska. Jak tłumaczy, jedną z najbardziej obiecujących metod oczyszczania, która ma potencjał wdrożenia w działalności przemysłowej, jest ozonowanie w obecności katalizatora. – To właśnie wytworzenie katalizatora stanowi najważniejszy etap projektu. Tu z pomocą przychodzi zimna plazma. Dzięki niej zostały wytworzone specjalne cienkowarstwowe katalizatory naniesione na stałe podłoże o rozbudowanej geometrii. Udało się już potwierdzić ich skuteczność. Opracowano także dedykowaną konstrukcję reaktora, umożliwiającą praktyczne zastosowanie katalizatora, również w skali przemysłowej – podkreśla dr Bilińska. – Spodziewam się, że już wkrótce technologia TEX-WATER-REC będzie miała konkretny zarys – dodaje.

W wyniku rozpoczętych prac powstanie kompletna, funkcjonalna metoda recyklingu wody, tak aby możliwe było jej powtórne wykorzystanie w procesach produkcji tekstyliów. – Od samego początku, czyli opracowania założeń projektu, wszystkie rozwiązania tworzone są z myślą o praktycznym zastosowaniu w przemyśle – akcentuje kierowniczka projektu.

Ochrona zasobów wody, silnie obecna w strategii Europejskiego Zielonego Ładu, to zarazem jedno z kluczowych wyzwań rozwojowych Polski.  – Przy obecnym zapotrzebowaniu na technologie ochrony środowiska mogę spodziewać się dużego zainteresowania ze strony potencjalnych nabywców: firm produkujących instalacje ozonowe, ale również klientów docelowych – producentów tekstyliów, którzy chcą ograniczać zużycie wody – mówi dr inż. Lucyna Bilińska.

Ścieki komunalne jako źródło surowców

Oczyszczanie ścieków, tym razem komunalnych, to także przedmiot zainteresowań dr inż. Dominiki Sobotki z Katedry Inżynierii Sanitarnej na Wydziale Inżynierii Lądowej i Środowiska Politechniki Gdańskiej. Jej badania ukierunkowane są na wdrażanie technologii, które poprawiają efektywność energetyczną oczyszczalni oraz pozwalają na zmniejszenie zużycia zasobów naturalnych surowców, głównie fosforu, pozwalając na ich ponowne zagospodarowanie w środowisku.

Projekt „Zintegrowana technologia usuwania i odzysku azotu i fosforu w komunalnych oczyszczalniach ścieków”, realizowany w ramach konkursu Small Grant Scheme, wystartował w styczniu br.

– W ostatnich latach oczyszczalnie ścieków, oprócz ich tradycyjnej roli, jaką jest oczyszczanie ścieków i przeróbka osadów ściekowych, stają przed nową rolą, jaką jest produkcja zasobów, m.in. wody, energii i surowców wtórnych, w szczególności biogenów (azotu i fosforu). Celem mojego projektu jest opracowanie innowacyjnej zintegrowanej technologii usuwania i odzysku azotu i fosforu w komunalnych oczyszczalniach ścieków, która zapewni im realizację ich nowej roli: producenta surowców – mówi dr inż. Dominika Sobotka.

Z wyników projektu, w którym trwają już badania podstawowe, będą mogli skorzystać zarówno projektanci, jak i eksploatatorzy oczyszczalni ścieków. – Poza nową technologią powstanie także model matematyczny, który będzie mógł zostać wykorzystany jako narzędzie decyzyjne do projektowania lub eksploatacji oczyszczalni ścieków, w celu zmniejszenia wpływu na środowisko procesów usuwania i odzyskiwania biogenów – zauważa liderka projektu.

Lasery dla zegarów atomowych

W pracy badawczej w Instytucie Wysokich Ciśnień Polskiej Akademii Nauk dr inż. Marta Sawicka zajmuje się epitaksją z wiązek molekularnych. Tą techniką wytwarzane są struktury emiterów światła takich jak diody LED czy lasery. – Klasyczny niebieski laser półprzewodnikowy ma w swoim widmie emisji zazwyczaj kilka linii odległych od siebie o ułamki nanometra – wyjaśnia badaczka. – Elementem optycznym, który umożliwia „wybranie” jednej z tych linii o ściśle zdefiniowanej długości fali, jest siatka dyfrakcyjna. Jest to, obrazowo mówiąc, periodyczny układ materiałów o znacząco różniącym się od siebie współczynniku załamania światła, takich jak np. azotek galu (GaN) i powietrze. Okres siatki decyduje o tym, jaka będzie długość emisji laserowej, która w przypadku niektórych szczególnych zastosowań ma kluczowe znaczenie, np. w zegarach atomowych – dodaje.

Wysoko oceniony projekt dr Sawickiej, zgłoszony w konkursie Small Grant Scheme Narodowego Centrum Badań i Rozwoju, nosi nazwę „Periodyczne siatki NANO-kanałów umieszczone wewnątrz struktur laserowych o jednomodowym widmie emisji”.

– Głównym wyzwaniem jest wykonanie wewnątrz struktury lasera, pod obszarem aktywnym, układu periodycznie rozmieszczonych kanałów o średnicy od kilkudziesięciu do kilkuset nanometrów, tworzących siatkę dyfrakcyjną. Jest to niezwykle atrakcyjne zarówno z punktu widzenia naukowego, jak również praktycznego – tłumaczy kierowniczka projektu.

Jakie są szanse, że uda się to osiągnąć? – Po pół roku realizacji mamy już potwierdzenie, że zaproponowana droga, którą chcemy dojść do celu, jest właściwa. Zgłosiliśmy już wniosek patentowy na tę metodę. Poza epitaksją, wykorzystujemy w niej selektywną implantację jonową i trawienie elektrochemiczne. Przed nami pokazanie siatek o periodyczności kilkuset nanometrów, a następnie ich integracja w strukturze lasera – ujawnia dr inż. Marta Sawicka.

Potencjał wdrożeniowy projektu jest znaczący. Stabilna praca i emisja laserowa na jednej długości fali z wysokim współczynnikiem tłumienia modów bocznych jest wymagana do takich zastosowań, jak: szybka komunikacja krótkiego zasięgu w oparciu o plastikowe światłowody, precyzyjne pomiary czasu przez zegary atomowe czy zaawansowane czujniki oparte na interferometrii. – Mam ogromną nadzieję, że na koniec projektu będę mogła powiedzieć, że nasze rozwiązanie ma potencjał wypełnić niszę rynkową półprzewodnikowych niebieskich laserów o jednomodowym spektrum emisji – konkluduje badaczka.

Jak zatrzymać wodór w zbiorniku?

Problem, który wraz ze swoim Zespołem podjęła dr inż. Justyna Krzak, pracownik naukowy w Katedrze Mechaniki, Inżynierii Materiałowej i Biomedycznej na Wydziale Mechanicznym Politechniki Wrocławskiej, to doszczelnienie zbiorników do magazynowania  wodoru.

Rozwiązania, nad którymi pracuje, są oczekiwane na rynku technologii wodorowych. Kłopot polega na tym, że wodór jest najmniejszą i najbardziej ruchliwą znaną cząsteczką, w związku z tym przenika właściwie przez każdy rodzaj materiału; zmienia się tylko mechanizm przenikania. – Przenikanie wodoru przez ściany zbiorników magazynujących, w zależności od stopnia, powoduje straty finansowe lub zagrożenia bezpieczeństwa. Jest także niekorzystne dla środowiska. Dlatego w projekcie HyStor zajęliśmy się ograniczeniem przenikania wodoru przez ściany kompozytowych zbiorników ciśnieniowych – mówi dr Krzak.

Jak tłumaczy, taki zbiornik poza kompozytową ścianą zewnętrzną, zbudowany jest również z linera (swoistej dętki), odpowiedzialnego za zatrzymanie gazu wewnątrz zbiornika. W tego rodzaju zbiornikach wodór znajduje się pod ciśnieniem 700 barów, co stanowi dodatkowy czynnik wpływający na przenikalność (dla porównania, w butlach propan-butan panuje ciśnienie maksymalnie 20 barów). Liner w zbiornikach IV generacji zbudowany jest z polimeru, np. HDPE. – W projekcie opracowujemy powłokę uszczelniającą taki liner, by w jak największym stopniu ograniczyć ucieczkę wodoru ze zbiornika – zaznacza dr Krzak.

Kierowany przez nią Zespół zbada również mechanizm przenikania wodoru przez opracowywane powłoki zol-żelowe, co pozwoli na celowane projektowanie materiałów doszczelniających. – Opracowujemy procedurę pomiarową, która umożliwi badania in situ powłok uszczelniających, w szczególności oddziaływania otrzymywanych materiałów z wodorem – wyjaśnia dr Krzak. – Dodatkowo, by zapewnić możliwie pełne rozwiązanie, opracowujemy system nanoszenia powłok, ich stabilizacji oraz wykrywania nieciągłości na powierzchniach wielkoformatowych – uzupełnia.

Obecnie w projekcie „Poprawa wydajności zbiorników do magazynowania wodoru dzięki nowatorskim powłokom tlenkowym” prowadzone są badania podstawowe, których cel to wyjaśnienie mechanizmu przenikania. – Opracowujemy nowe receptury na powłoki barierowe i prowadzimy podstawowe testy. Przygotowujemy się natomiast do rozpoczęcia prac nad systemem efektywnego wytwarzania cienkich powłok na podłożach wielkoformatowych – wylicza kierowniczka projektu.

Technologie, nad którymi pracuje Zespół dr Krzak, będą atrakcyjne dla branży związanych z transportowaniem i przechowywaniem gazów o najmniejszych molekułach, w szczególności wodoru. Metoda wytwarzania tlenkowych powłok barierowych, od lat rozwijana w Katedrze Mechaniki, Inżynierii Materiałowej i Biomedycznej na Wydziale Mechanicznym Politechniki Wrocławskiej, pozwoli także rozszerzyć zastosowanie nowo otrzymanych materiałów na inne gazy, np. hel, dwutlenek węgla czy metan.

Kto skorzysta z wyników projektu? Powłoki ograniczające przenikanie wodoru to technologie poszukiwane przez producentów linerów do zbiorników kompozytowych lub samych zbiorników magazynujących.  – Powłokę będziemy nanosić na gotowe produkty – linery, zbiorniki, rury lub całe instalacje do przechowywania lub przesyłu wodoru. Co więcej, opracowujemy system, który pozwoli nanieść powłokę barierową na istniejące instalacje – zapowiada dr inż. Justyna Krzak.

Zielona metoda wytwarzania wodoru

Realizując badania w ramach grantu norweskiego, na Wydziale Chemii Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu Zespół pod kierunkiem dr Anny Ilnickiej pracuje nad projektem „Katalizatory na bazie grafenu wolne od platyny dla technologii rozszczepienia wody jako zielona metoda produkcji wodoru”. Badania, prowadzone na styku nanotechnologii i inżynierii materiałowej, rozpoczęły się w lutym br.

– Nasz projekt będzie ważnym wkładem w rozwiązanie ogólnoświatowego problemu środowiskowego – przewiduje dr Ilnicka. – Wydajna elektroliza wody jest powszechnie postrzegana jako sposób na akumulację nadmiaru energii, która może być produkowana przez niektóre źródła odnawialne, takie jak fotowoltaika. Nadmiar ten mógłby zasilić proces elektrolizy, w wyniku którego powstaje wodór, czyli paliwo o największej gęstości energii na jednostkę objętości. Koncepcja ta jest zgodna z perspektywami gospodarki wodorowej – dodaje.

Kluczowym elementem dla elektrolizy wody jest wydajna konstrukcja elektrody, która umożliwia niski podział potencjału przy jednoczesnej wysokiej trwałości. Istotną kwestią jest również eliminacja platyny z produkcji elektrod.

Jak podkreśla chemiczka, celem projektu realizowanego pod skrzydłami NCBR jest synteza takich materiałów elektrodowych i praktyczna weryfikacja ich właściwości aplikacyjnych. – Zależy nam na otrzymaniu katalizatorów, czyli grafenu o strukturze 3D wzbogaconej w heteroatomy, tlenki metali i tlenki metali typu perowskit. Kluczową innowacją jest sama synteza nowych materiałów elektrodowych wolnych od metali szlachetnych – podkreśla dr Anna Ilnicka.

Katalizatory najbardziej obiecujące z punktu widzenia rozszczepiania wody zostaną rozpoznane i szczegółowo opisane na podstawie analiz fizykochemicznych. Zespół zbada i scharakteryzuje stan chemiczny atomów, aby umożliwić wybór najskuteczniejszych katalizatorów reakcji wydzielania tlenu i reakcji wydzielania wodoru. – Uzyskamy w ten sposób precyzyjne określenie typów miejsc katalizatora, co będzie szczególnie istotne przy interpretacji pomiarów elektrochemicznych. Ważnym krokiem będzie określenie związku morfologii i składu pierwiastkowego z aktywnością elektrochemiczną i fotoelektrochemiczną materiałów, a także ich aktywnością w reakcji wydzielania wodoru w kontakcie z wodnymi elektrolitami – wyjaśnia badaczka.

Z punktu widzenia zobowiązania do osiągnięcia w 2050 r. neutralności klimatycznej, możliwości praktycznego zastosowania wyników tych badań są szerokie. Potrzebny jest m.in. nowy rodzaj źródeł energii dla transportu, energii elektrycznej, ciepła, budownictwa mieszkaniowego, rolnictwa, przemysłu morskiego i przemysłu wytwórczego.

To właśnie wodór wytwarzany na dużą skalę z wykorzystaniem ekologicznych źródeł energii lub przy zastosowaniu technologii niskoemisyjnych stanowi obiecującą przyszłość dla wielosektorowej dekarbonizacji. – Wodór ma ogromny potencjał, aby zmniejszyć zależność od paliw kopalnych. Jest to materiał obfity i ma najwyższą zawartość energii wagowo, prawie trzykrotnie większą od zawartości benzyny – mówi dr Anna Ilnicka. – Rosnąca zdolność elektrolizy będzie miała dodatkowy wpływ na obniżenie kosztów produkcji „zielonego” wodoru – zauważa.

Technika jest kobietą

Co przesądziło o tym, że badaczki zgłosiły swoje projekty właśnie w konkursie NCBR adresowanym do kobiet naukowców w obszarze nauk technicznych?

– Nauka to dla mnie pasja. Już od dziecka interesowały mnie zagadnienia naukowe. Zawsze chciałam wiedzieć więcej i nie satysfakcjonowały mnie proste odpowiedzi. Dzięki pracy naukowej mogę się realizować. Konkurs dla kobiet naukowców w obszarze nauk technicznych był dla mnie szansą na zmaterializowanie moich pomysłów naukowych. Był także szansą na udowodnienie, że nie tylko mężczyźni mogą skutecznie rozwiązywać zagadnienia inżynieryjne – mówi dr inż. Lucyna Bilińska z Politechniki Łódzkiej.

– Zainteresował mnie charakter konkursu i fakt, że jest on skierowany wyłącznie do kobiet naukowców. To, nie ukrywam, wzbudziło moją ciekawość – przyznaje dr inż. Dominika Sobotka, pracująca na Politechnice Gdańskiej. – Kariera kobiet, które chcą realizować się jako matki i naukowcy, jest niezwykle wymagająca. Dla kobiety bardzo często urlop macierzyński równa się przerwie w pracy naukowej – szczególnie w obszarze nauk technicznych. Dlatego też niezwykle ważne są konkursy takie jak Small Grant Scheme, które z założenia uwzględniają specyfikę pracy kobiet naukowców oraz promują rozwój ich kariery naukowej – dodaje.

Także dr inż. Justynę Krzak (Politechnika Wrocławska) ucieszyła propozycja skierowana do kobiet zajmujących się badaniami naukowymi. – Choć nie zależy mi na preferencyjnych warunkach, ponieważ badania naukowe prowadzone przez kobiety są zwykle na najwyższym poziomie, to jednak uważam, że warto tej grupie naukowców proponować nowe rozwiązania w przygotowywanych programach, bo jest pewność, że zostaną one efektywnie wykorzystane. Ponadto zdecydowanie mniej kobiet niż mężczyzn pracuje w obszarze badań stosowanych w naukach technicznych, warto więc tę mniejszość wspierać – podnosi.

– Inną sprawą jest to, że istnieje ogromna potrzeba, by kobiety były multizadaniowe, w przeciwnym wypadku nie podołałybyśmy codziennym obowiązkom. W tym kontekście naprawdę miło jest zobaczyć konkurs przeznaczony właśnie dla nas – to swego rodzaju światło rzucone na nasze środowisko. Ostatecznie proszę zobaczyć, ile było zgłoszeń w samym tylko konkursie Small Grant Scheme: aż 337. Jesteśmy ambitne i warto stwarzać nam możliwości rozwoju. Wszyscy mogą na tym wyłącznie zyskać – nie ma wątpliwości dr inż. Justyna Krzak.

O swojej motywacji zgłoszenia projektu w konkursie dla kobiet naukowców dr inż. Marta Sawicka (Instytut Wysokich Ciśnień PAN) mówi krótko: – Moment, w którym pojawił się pomysł wykorzystania materiału porowatego w konstrukcji niebieskiego lasera, zbiegł się z ogłoszeniem konkursu Small Grant Scheme.

Dr Anna Ilnicka, badaczka z Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu, liczy na to, że zarządzanie projektami w konkursie Small Grant Scheme pozwoli ich kierowniczkom na rozwój kariery naukowej oraz przyczyni się do wzmocnienia polskiego środowiska naukowego poprzez zwiększenie udziału kobiet naukowców, zarówno pod względem liczebności, jak i ich roli zawodowej w naukach technicznych. Jak zauważa, wiele spośród projektów wybranych do dofinansowania ma silny aspekt środowiskowy, co przybliża Polskę do osiągnięcia celów strategii Europejskiego Zielonego Ładu. – Rozpoczęte badania, oprócz wpływu na środowisko, wygenerują znaczną liczbę artykułów, publikowanych w renomowanych czasopismach naukowych, których autorami będę kobiety naukowcy – zwraca uwagę specjalistka.

Więcej informacji o wynikach konkursu Small Grant Scheme znajduje się na stronie Narodowego Centrum Badań i Rozwoju:  https://www.gov.pl/web/ncbr/small-grant-scheme-2020-call