AGH zgłębia tajemnice grafenu, który kosztuje miliony dolarów

Profesor Tadeusz Knych FOT. MARCIN WARSZAWSKI

- Wśród naukowców zapanowała moda na grafen?

- Grafenu nie odkryto wczoraj, ale rzeczywiście zainteresowanie tym materiałem jest ogromne. Choć jest odmianą niemal najpowszechniejszego pierwiastka na Ziemi, czyli węgla, to jego właściwości mogą zrewolucjonizować wiele sfer życia.

Większość ludzi zna węgiel raczej pod innymi postaciami, a mianowicie, jako grafit czy diament. Jednak to grafen może okazać się materiałem szlachetniejszym, o strategicznym znaczeniu.

- W czym tkwi jego tajemnica?

- Grafen to warstwa węgla o grubości jednego atomu, a więc jest to najcieńszy materiał, jaki możemy sobie wyobrazić.

Jednocześnie jest materiałem o doskonałym przewodnictwie elektrycznym. Nośniki ładunku elektrycznego w grafenie poruszają się 200 tysięcy razy szybciej niż w krzemie. Urządzenia elektroniczne z podzespołami na bazie grafenu będą działały znaczniej szybciej.

Ponadto grafen jest niezwykle cienki i lekki. Ma również dużą wytrzymałość na oddziaływanie mechaniczne, która jest 200-krotnie wyższa niż w przypadku stali.

- AGH chce jednak grafen potraktować prądem.

- Tak. Nas interesuje jego wysoka przewodność elektryczna. Dlatego chcemy go połączyć z miedzią, a następnie z aluminium. Pozwoli to wyprodukować przewody elektroenergetyczne o nieznanym do tej pory przewodnictwie prądu.

Prace nad nowym kompozytem metal-grafen to najnowszy projekt realizowany przez konsorcjum naukowo-przemysłowe, którego liderem jest Akademia Górniczo-Hutnicza. We współpracy z Instytutem Technologii Materiałów Elektronicznych - twórcą opatentowanej przemysłowej technologii produkcji grafenu, Tele-Foniką - jednym z największych i najlepszych zakładów kablowych w Europie oraz Polskimi Sieciami Elektroenergetycznymi - właścicielem polskiej infrastruktury elektroenergetycznej wysokich napięć, chcemy stworzyć zupełnie nowy kompozyt, który ma szansę zrewolucjonizować branżę energetyczną.

- Na**jakim etapie są prace?**

- Badania ruszyły w grudniu ubiegłego roku. Cały projekt potrwa 36 miesięcy. Na AGH mamy znakomity zespół młodych i doświadczonych w tej dziedzinie młodych naukowców. Podobnie jest u pozostałych partnerów. Zaprojektowaliśmy już specjalne stanowisko do syntezy tego nowego materiału. Jego budowa zakończy się do końca pierwszej połowy roku. Będziemy w nim topić metale i łączyć z grafenem.

- To trudne przedsięwzięcie?

- Trzeba pamiętać, że grafen ma około 10 razy mniejszą gęstość niż miedź. To trochę tak, jakby próbować umieścić piłeczki do ping-ponga na dnie wanny wypełnionej wodą. Mamy pomysły, jak sprawić, by w trakcie krzepnięcia miedzi grafen umiejscawiał się w odpowiednich miejscach w jej strukturze.

Rozmawiając o grafenie, musimy sobie uświadomić, w jakiej skali prowadzone są prace - na odcinku jednego metra mieści się przecież 10 miliardów atomów węgla.

- Prace będą wymagały chirurgicznej precyzji?

- Nikt nigdy wcześniej nie podjął się próby metalurgicznego połączenia miedzi lub aluminium z grafenem do postaci materiału umożliwiającej jego przemysłowe wykorzystanie. To nie jest jednak tak proste, jak wymieszanie piasku z solą. Musimy tak ułożyć atomy węgla z atomami miedzi, żeby płaszczyzny grafenowe były w tym stopie ustawione tak, by stały się przewodnikiem prądu, a nie izolatorem. Na świecie grafen jest wykorzystywany już w elektronice. Przy budowie procesorów zastępuje się nim krzem, ale nigdy wcześniej nie był użyty w ten sposób.
- Współcześnie grafen osiąga niebotyczne ceny - badania będą słono kosztować?

- Dziś kilogram grafenu rzeczywiście kosztuje milion dolarów, ale jednostek, które go produkują będzie przybywać. Za 3-4 lata ceny grafenu spadną do 100 dolarów za kilogram. Rozwój prac na grafenem jest tak zintensyfikowany, że postęp nastąpi błyskawicznie. Nasz projekt jest finansowany z grantu w wysokości ponad 5 mln zł, które prawie w całości przyznało Narodowe Centrum Badań i Rozwoju. W powołanym konsorcjum o nazwie METGRAF podział obowiązków jest jasny. Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych ma dostarczyć grafen, AGH stworzy z jego użyciem nowy kompozyt, Telefonika ma wyprodukować z niego przewód i poddać go badaniom na skalę przemysłową, a Polskie Sieci Elektroenergetyczne zastosować go w praktyce.

- Jeśli się uda, będziemy mieli rewolucyjny patent?

- Oczywiście. Wzrost zapotrzebowania na energię elektryczną na świecie sprawia, że musimy przesyłać jej coraz więcej. Jednak sieć ma swoje ograniczenia przez materiał, z którego jest zbudowany przewód. Wzmożony przesył powoduje wzrost temperatury przewodów, co zwiększa ryzyko jej awarii. Obecnie przewody elektroenergetyczne produkowane są z aluminium z rdzeniem stalowym. Aluminium dopuszcza temperaturę roboczą do 80 stopni Celsjusza - powyżej istnieje ryzyko zerwania przewodu. Szukamy więc rozwiązania tego problemu z użyciem grafenu.

Energia elektryczna jest najbardziej szlachetną spośród wszystkich znanych rodzajów energii. Ma jednak jeden mankament - na razie nie sposób jej magazynować na masową skalę.

- Czy przewody z kompozytów metal-grafenu sprawią, że ceny prądu spadną?

- Prąd ma tę właściwość, że w trakcie przesyłu zamienia się w ciepło. Wówczas dochodzi do ogromnych strat. W Polsce, ale także na świecie jest tendencja, aby nie budować nowej infrastruktury, ale raczej zastępować istniejące przewody nowymi, bardziej wydajnymi. Kompozyt, nad którym pracujemy, ma spełniać takie właśnie zadanie. Jeżeli uda się ograniczyć straty przesyłu prądu, to cena energii powinna spaść. Ponadto uda się również ograniczyć emisję CO2 do atmosfery.

- Ile udałoby się więc zaoszczędzić?

- Musimy zdawać sobie sprawę, że jeżeli chcielibyśmy użyć czajnika elektrycznego, to 1 kilowatogodzina energii elektrycznej potrzebna do ogrzania wody wymaga wyprodukowania aż trzech kilowatogodzin. Czyli dwie trzecie energii gubimy po drodze. Oczywiście na różnych etapach. Tylko w liniach napowietrznych około 10 procent. Polska zużywa rocznie 160 terawatogodzin energii elektrycznej, z czego około 16 "puszczamy" w powietrze. Mamy więc tysiące kilometrów wiszących grzejników, które już teraz za gigantyczne kwoty rocznie ogrzewają atmosferę.

- A zużycie prądu będzie rosło?

- Nawet gwałtownie. Szacuje się, że w 2030 Polska będzie zużywać dwa razy więcej energii elektrycznej niż dziś. Obecnie cały świat zużywa rocznie około 20 tysięcy terawatogodzin, czyli średnio jeden mieszkaniec Ziemi - ok. 3 megawato-godziny. To mniej więcej tyle, ile trzy żarówki o mocy 100 wat palące się nieustannie przez 365 dni. W krajach rozwiniętych ten wskaźnik jest nawet kilkukrotnie wyższy. Za kilka lat średnie zużycie prądu dojdzie do 8 megawatogodzin na mieszkańca. Musimy więc minimalizować straty energii tam, gdzie to możliwe.
- Czy metal-grafen będzie można zastosować nie tylko w sieci trakcyjnej?

- Mikrodruty z nowego kom-pozytu znakomicie przyspieszą przepływ elektronów w różnych urządzeniach. Już dziś dzięki zastosowaniu przewodów tylko z miedzi beztlenowej jakość dźwięku w systemach audio jest lepsza. Zastosowanie kabla miedziowo-grafenowego sprawi, że sygnał będzie czysty jak nigdy wcześniej.

Rozmawiał Marcin Warszawski

Tadeusz Knych

Po ukończeniu Technikum Hutniczo-Mechanicznego w Krakowie (specjalność walcownictwo i kuźnictwo) podjął studia na Wydziale Metali Nieżelaznych Akademii Górniczo-Hutniczej, które ukończył w 1976 roku, uzyskując tytuł magistra inżyniera metalurga o specjalności przeróbka plastyczna metali. W latach 1976-1981 był słuchaczem studium doktoranckiego na macierzystym wydziale. Pracę doktorską obronił w 1981 roku. Od 1982 roku pracował na stanowisku adiunkta w Katedrze Przeróbki Plastycznej i Metaloznawstwa. W 2001 roku uzyskał stopień doktora habilitowanego, a w roku 2010 tytuł profesora zwyczajnego. Ma na koncie ponad 500 ponad publikacji, projektów i prac badawczych.