Το Έργο - Εισαγωγή

Η εκπομπή υψηλών επιπέδων ηλεκτρομαγνητικής (ΗΜ) ακτινοβολίας είναι ανάποφευκτη σε πολλά περιβάλλοντα εργασίας, όπως για παράδειγμα στην επιφάνεια ενός πλοίου λόγω της λειτουργίας ραντάρ υψηλής ισχύος. Για αυτόν τον λόγο, ειδικά μέτρα πρέπει να λαμβάνονται για την αντιμετώπιση τους. Για παράδειγμα, το προσωπικό που εργάζεται σε περιβάλλοντα στα οποία λειτουργούν πηγές υψηλής ΗΜ ισχύος οφείλει να συμμορφώνεται με πρότυπα και διατάξεις τα οποία έχουν προταθεί και υιοθετηθεί από σχετικούς φορείς και την ελληνική και ευρωπαϊκή νομοθεσία. Ενδεικτική είναι η απαγόρευση κυκλοφορίας προσωπικού στην γέφυρα του πλοίου κατά την λειτουργία ορισμένων τύπων ραντάρ ή η ιδιαίτερη μνεία που πλέον λαμβάνεται κατά την ναυπήγηση νέων πλοίων σχετικά με την ΗΜ συμβατότητα μεταξύ ραντάρ και λοιπού τηλεπικοινωνιακού εξοπλισμού ή την τοποθέτηση των πομποδεκτών και κεραιών στο κατάστρωμα.
Η ασφαλέστερη και συνηθέστερη προσέγγιση για την εξασφάλιση της θωράκισης εξοπλισμού και προστασίας προσωπικού είναι η υιοθέτηση μεταλλικών ή πυκνών αλυσιδωτών περιβλημάτων τα οποία όμως χαρακτηρίζονται από υψηλό βάρος, δυσκαμψία και συνεπακόλουθη δυσκολία εφαρμογής, καθώς και αδυναμία προστασίας του χρήστη σε μεγάλο εύρος ζώνης συχνοτήτων της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Είναι λοιπόν αναγκαίο να αναπτυχθούν νέες λύσεις για αυτό το πρόβλημα, οι οποίες όχι μόνο θα προστατεύουν αλλά θα είναι αρκετά εύχρηστες και ελκυστικές ώστε να υιοθετούνται από το προσωπικό και να παρέχουν περισσότερη ευελιξία στο εργασιακό περιβάλλον, π.χ. στην λειτουργία του πλοίου.

Σχηματικό παράδειγμα προτεινόμενης λύσης μέσω ανάπτυξης εύκαμπτων μεταϋλικών

Το ΕΡΓΟ στοχεύει στην ΕΡΕΥΝΑ στον τομέα των μεταϋλικών με στόχο την ανάπτυξη ΚΑΙΝΟΤΟΜΩΝ εύκαμπτων και φορετών απορροφητικών μεταϋλικών με χρήση τεχνολογιών εκτύπωσης για την προστασία εξοπλισμού και προσωπικού από χώρους με ισχυρή ΗΜ ακτινοβολία, όπως αυτούς στην επιφάνεια και λοιπούς χώρους πλοίων όπου λειτουργούν πομποί υψηλής ισχύος. Η εκπλήρωση αυτών των στόχων θα οδηγήσει στην ΑΝΑΠΤΥΞΗ νέων εμπορικών προϊόντων προστασίας από την ΗΜ ακτινοβολία που θα είναι ελαφριά, χαμηλού κόστους, εύχρηστα, και με μοναδικά τεχνικά χαρακτηριστικά όπως η λειτουργία σε μεγάλο εύρος συχνοτήτων.

Αντικείμενο του Έργου

Αντικείμενο του έργου είναι η ανάπτυξη τεχνολογίας απορροφητικών μεταϋλικών με στόχο την χρήση της άμεσα σε εφαρμογές όπως ένδυση προστασίας (protective clothing) ή θωράκισης (shielding) εξοπλισμού από ΗΜ ακτινοβολία.

Τα μεταϋλικά είναι τεχνητά δομημένα υλικά που αποτελούνται από περιοδικά στοιχεία (unit cells). Ένα unit cell αποτελείται από αγωγούς στην επιφάνεια του, που βρίσκονται πάνω σε ένα διηλεκτρικό υπόστρωμα που συνήθως είναι σε επαφή με ένα στρώμα γείωσης από κάτω. Τα unit cells είναι μικρότερα του μήκους κύματος της συχνότητας συντονισμού της γεωμετρίας του μεταϋλικού, και μπορούν να σχεδιασθούν για την δημιουργία επιφανειών με εξωτικές ΗΜ ιδιότητες(π.χ. αρνητικός δείκτης διάθλασης) που δεν συναντώνται στη φύση.

Σχηματικό παράδειγμα επιμέρους στοιχείων του unit cell

Τα τελευταία δέκα χρόνια, μια από τις σημαντικότερες εφαρμογές αυτής της σημαντικής τεχνολογικής ανακάλυψης είναι οι “μεταϋλικοί τέλειοι απορροφητές” (perfect metamaterial absorbers – MPAs), οι οποίοι μπορούν να απορροφήσουν ΗΜ ακτινοβολία σε ποσοστά πάνω από 90%, ενώ απαιτούν πολύ μικρότερο πάχος από συμβατικές διατάξεις απορρόφησης ΗΜ ακτινοβολίας. Συγκεκριμένα, συμβατικές επιφάνειες απορρόφησης (absorbers) χρειάζονται ένα πάχος της τάξης του λ0/4, όπου λ0 είναι το μήκος κύματος της επιθυμητής συχνότητας απορρόφησης, ενώ για διαφορά προτεινόμενα απορροφητικά μεταϋλικά το απαιτούμενο πάχος κυμαίνεται από λ0/35 μέχρι και λ0/75, επιτρέποντας πολύ λεπτές, σχεδόν δισδιάστατες δομές (C. M. Watts, X. Liu, W. J. Padilla, Adv. Mater. 2012, 24, OP98). Η συγκεκριμένη πρόταση στοχεύει στην δημιουργία μιας έξυπνης, εύκαμπτης και ελαφριάς δομής με ευρεία ζώνη λειτουργίας στο εύρος τηλεπικοινωνιακών συχνοτήτων που χρησιμοποιούνται σε ραντάρ και άλλες τηλεπικοινωνιακές εφαρμογές (2.0 -12.0 GHz). Παρόλο που απορροφητικά μεταϋλικά έχουν αναπτυχθεί για πάνω από μια δεκαετία, η προτεινόμενη εφαρμογή καινοτομεί προτείνοντας μεταϋλικά που θα ειναι όχι μόνο ευρείας ζώνης λειτουργίας στο πεδίο των συχνοτήτων, αλλά και εύκαμπτα, με πολύ μικρό πάχος, επιτρέποντας τη μετατροπή τους σε προστατευτική ένδυση. Τα διηλεκτρικά υλικά που θα χρησιμοποιηθούν ως υπόστρωμα του μεταϋλικού θα κατασκευαστούν από το ΙΤΕ Κρήτης και θα είναι χαμηλού κόστους, εύκαμπτα, και με ειδικα ΗΜ χαρακτηριστικά (υψηλή διηλεκτρική σταθερά), ώστε να αποθηκεύουν υψηλά ηλεκτρικά πεδία μέσα στο μεταϋλικό ελαχιστοποιώντας την ΗΜ ενέργεια και θερμότητα που μεταφέρεται στον ανθρώπινο ιστό (Εικόνα 1). Η παραγωγή αυτών των εύκαμπτων διηλεκτρικών υποστρωμάτων των μεταϋλικών θα γίνει με διαφορετικά είδη εκτύπωσης (2D/3D printing). Η 2D/3D-εκτύπωση αποτελεί την πλέον εργονομική, οικονομική και ενεργειακά αποδοτική τεχνολογία καθώς μπορεί εύκολα να ενσωματωθεί σε βιομηχανικές γραμμές παραγωγής. Με την εφαρμογή της 2D/3D-εκτύπωσης είναι δυνατό να μειωθούν σημαντικά τα στάδια, οι πρώτες ύλες, και ο χρόνος κατασκευής (~50%) παρόμοιων υλικών, μειώνοντας σημαντικά το κόστος κατασκευής τους (~70%). Ταυτόχρονα, παρέχεται η δυνατότητα να εκτυπωθεί άμεσα οποιαδήποτε γεωμετρία, επιτρέποντας τον εύκολο σχεδιασμό, δημιουργία, και αξιολόγηση των μελετούμενων περιοδικών στοιχείων.

Στόχοι του Έργου

Συνολικά, στόχος του έργου είναι να συμβάλλει στην προστασία του ανθρώπινου δυναμικού και στην απρόσκοπτη λειτουργία πλοίων ή άλλων οικοσυστημάτων (π.χ. αεροδρόμια, στρατόπεδα) όπου λειτουργούν συστήματα υψηλής ΗΜ ακτινοβολίας, μέσω της ανάπτυξης τεχνολογίας απορροφητικών μεταϋλικών (MPAs), τα οποία θα:

1. Απορροφούν την HM ακτινοβολία πιο αποτελεσματικά από υπάρχουσες λύσεις βασισμένες σε συμβατικά υλικά.
2. Αποτελούνται από χαμηλού κόστους φορετές δομές που θα είναι εύκαμπτες και ελαφριές, ώστε να είναι πρακτικές ώς ένδυση προστασίας για το προσωπικό των πλοίων, αλλά και ως προστατευτικά σε εξοπλισμό με στόχο την μείωση ΗΜ παρεμβολών.
3. Περιλαμβάνουν νέες γεωμετρίες ευρυζωνικών (wideband) ή πολυζωνικών (multi-band) δομικών στοιχείων (unit cells) με δυνατότητα προσαρμογής ανάλογα με την συχνότητα του προσπίπτοντος κύματος, οι οποίες θα υλοποιούνται με χρήση 2D/3D τεχνολογιών εκτύπωσης.
4. Οδηγήσουν στην ανάπτυξη ολοκληρωμένων λύσεων για προϊόντα προστασίας από την ΗΜ ακτινοβολία που θα είναι πιο αποτελεσματικά, πιο εύχρηστα, και επομένως πιο ελκυστικά από τις παρούσες λύσεις.

Πρωτοτυπία του έργου

Tο έργο προτείνει σημαντικές καινοτομίες στο χώρο έρευνας και ανάπτυξης τεχνολογίας μεταϋλικών και στην αξιοποίηση της νέας αυτής τεχνολογίας σε εμπορικές εφαρμογές. Πιο συγκεκριμένα:

Καινοτομία #1:

- Σχεδίαση νέων περιοδικών δομών (unit cells) για MPAs με χρήση καινοτόμων εξελικτικών αλγορίθμων βελτιστοποίησης και ρεαλιστικών μοντέλων ανθρώπινων ιστών για βέλτιστη λειτουργία ειδικά ως προς την προστασία των πιο ευαίσθητων περιοχών του ανθρώπινου σώματος (κεφάλι, θώρακας, κλπ). Η σχεδίαση και βελτιστοποίηση των MPAs τοποθετημένων στο ανθρώπινο σώμα θα επιχειρηθεί για πρώτη φορά σε σχέση με την υπάρχουσα βιβλιογραφία, όπου η σχεδίαση και ανάλυση MPAs γίνεται σε κενό (free space) περιβάλλοντα χώρο.

Καινοτομία #2:

- Ανάπτυξη πρωτότυπων λύσεων για δημιουργία απορροφητικότητας σε μεγάλο εύρος συχνοτήτων και γωνιών πρόσπτωσης ΗΜ κυμάτων, όπως η εκμετάλλευση ειδικών συμμετριών στα περιοδικά στοιχεία ή η χρήση ηλεκτρονικών κυκλωμάτων για τον έλεγχο των συχνοτήτων και του εύρους συντονισμού. Η σχεδίαση θα επικεντρωθεί και πάλι στη βέλτιστη λειτουργία στο ανθρώπινο σώμα, και έτσι θα οδηγήσουν σε πρωτότυπες, καινοτόμες διατάξεις σε σχέση με υπάρχουσες λύσεις ευρυζωνικών MPAs.

Καινοτομία #3:

- Κατασκευή ειδικών υλικών με υψηλή διηλεκτρική σταθερά και συγκεκριμένες μηχανικές ιδιότητες (π.χ. ελαστικότητα) που θα λειτουργούν ως υποστρώματα πάνω στα οποία θα τυπώνονται οι περιοδικές δομές με χρήση τεχνολογιών εκτύπωσης (2D/3D printing), και θα επιτρέπουν στα μεταϋλικά να είναι εύκαμπτα και να μετατρέπουν την προσπίπτουσα ακτινοβολία σε διηλεκτρικές απώλειες χωρίς να υπερθερμαίνουν το ανθρώπινο σώμα ή δέρμα. Τα υλικά που θα επιλεχθούν θα χρησιμοποιηθούν για την εναπόθεση των μεταϋλικών πάνω σε εύκαμπτα υποστρώματα με την ανάπτυξη/χαρακτηρισμό κατάλληλων αιωρημάτων/μελανιών.

Καινοτομία #4:

- Ανάπτυξη της πρώτης παγκοσμίως εμπορικής εφαρμογής MPAs για προστατευτική ένδυση και θωράκιση εξοπλισμού από ΗΜ ακτινοβολία, εκμεταλλευόμενη την πρωτοπόρο θέση των δυο συμμετεχουσών εταιρειών στην ανάπτυξη εμπορικών εφαρμογών μεταϋλικών και τεχνολογίας για εμπορικά πλοία, αντίστοιχα. Η εμπορική αξιοποίηση των MPAs που θα υλοποιηθούν από το έργο θα ξεκινήσει με την κατάθεση αίτησης ευρεσιτεχνίας που να προστατεύει τα υλικά και την εφαρμογή τους και θα περιλαμβάνει ένα σχέδιο εμπορικής αξιοποίησης επικεντρωμένο στους χρήστες της τεχνολογίας, ξεκινώντας από τα εμπορικά πλοία.