Создание новых материалов определяло этапы развития человечества: каменный век, бронзовый век, железный век, век полимеров и наноматериалов. Развитие техники на современном этапе требует разработки новых или модификации уже известных материалов с необходимыми функциональными и эксплуатационными свойствами.
Одной из задач, предлагаемых в рамках заявленных проектов, является разработка методов получения новых материалов для решения и экологических проблем. Разработкой проектов занимаются Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», ООО «ТЭЭМП», ООО НВП Центр-ЭСТАгео, ООО НОРД Инжиниринг, ООО УК Полюс, ООО «Биомиметикс», АО «Спецмагнит», ПАО «Северсталь», ООО «Мечел-Материалы».
Все направления проектной образовательной программы «Большие вызовы»
Участники были определены по результатам проведения Всероссийского конкурса научно-технологических проектов 2018-2019 года.
Заведующий кафедрой физической химии Национального исследовательского технологического университета «МИСиС», научный руководитель Информационно-аналитического центра «Наноматериалы и нанотехнологии», лауреат премии Правительства РФ в области образования, профессор, доктор химических наук
Доцент кафедры энергоэффективных и ресурсосберегающих промышленных технологий Национального исследовательского технологического университета МИСИС, методист направления «Новые материалы» проектной программы «Большие вызовы», кандидат технических наук
Инженер кафедры физической химии Национального исследовательского технологического университета «МИСиС»
Заведующий кафедрой физической химии Национального исследовательского технологического университета «МИСиС», научный руководитель Информационно-аналитического центра «Наноматериалы и нанотехнологии», лауреат премии Правительства РФ в области образования, профессор, доктор химических наук
Ведущий инженер кафедры физического материаловедения Национального исследовательского технологического университета «МИСиС»
Доцент кафедры материаловедения полупроводников и диэлектриков Национального исследовательского технологического университета «МИСиС», кандидат физико-математических наук
Доцент кафедры энергетики и энергоэффективности горной промышленности Национального исследовательского технологического университета «МИСиС», кандидат технических наук
Научный сотрудник НП «Лаборатория анализа микрочастиц»
Лаборант кафедры физической химии Национального исследовательского технологического университета «МИСиС»
Доцент кафедры физической химии Национального исследовательского технологического университета (Москва), кандидат физико-математических наук
Старший преподаватель, заведующая учебной лабораторией кафедры сертификации и аналитического контроля Национального исследовательского технологического университета «МИСиС»
Кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией «Нанотехнологии» Образовательного Фонда «Талант и успех», координатор экспертов программы «Большие вызовы» в 2019 году
Инженер кафедры функциональных наносистем и высокотемпературных материалов Национального исследовательского технологического университета «МИСиС»
Доцент кафедры энергоэффективных и ресурсосберегающих промышленных технологий Национального исследовательского технологического университета МИСИС, методист направления «Новые материалы» проектной программы «Большие вызовы», кандидат технических наук
Инженер кафедры функциональных наносистем и высокотемпературных материалов Национального исследовательского технологического университета «МИСиС»
1. Накопитель электрической энергии на основе электрохимического суперконденсатора.
2. Модифицирование минеральных вяжущих материалов высокодисперсными компонентами.
3. Эффективные антибликовые покрытия для солнечных элементов.
4. Применение биотехнологий для создания новых материалов и решения ряда экологических задач.
5. Биосовместимые материалы для реконструктивной хирургии.
6. Получение железосодержащего материала на основе отходов металлургического производства.
Описание проектов
1. Накопитель электрической энергии на основе электрохимического суперконденсатора
Руководитель проекта: Кречетов И.С.
Аннотация: в ходе участия в проекте учащиеся под руководством преподавателей самостоятельно получат материалы для изготовления и изготовят перспективный современный накопитель электрической энергии – суперконденсатор. Изготовив суперконденсатор и определив его характеристики, учащиеся смогут опробовать его для запуска небольшой модели, выбор которой зависит от конкретных характеристик, достигнутых на изготовленном суперконденсаторе. Например, это может быть электронная «пушка» или небольшая модель с электродвигателем. Также участники проекта смогут сами предложить варианты того, как опробовать изготовленный суперконденсатор на практике.
Интенсивное использование электроэнергии делает необходимым повышение эффективности средств ее генерации, накопления, хранения и распределения, повышение количества вырабатываемой, накапливаемой или передаваемой ими электроэнергии и качества этой энергии. Задача накопления и хранения электрической энергии важна как для различного рода мобильного ее использования, например, в переносных электронных устройствах или транспортных средствах, так и для стационарного – в системах сглаживания пиковых нагрузок сетей электроснабжения или резервирования электроэнергии. Особое место среди разнообразных типов накопителей энергии занимают сравнительно недавно появившиеся электрохимические суперконденсаторы, способные накапливать значительное количество электроэнергии за короткое время и занимающие промежуточное положение между традиционными конденсаторами и аккумуляторами. Кроме того, они способны сохранять свои свойства на протяжении десятков и сотен тысяч циклов зарядки и разрядки.
Благодаря своим свойствам они находят реальное применение в системах, для которых характерны частые многократные импульсные нагрузки: гибридном и электромобильном транспорте, стартерных и пусковых системах и др. Известно использование суперконденсаторов в системах открытия дверей аварийного выхода самолетов Аэробус. При использовании в сочетании с другими накопителями электрической энергии, например, с классическими аккумуляторами, суперконденсаторы способны снизить размер и повысить эффективность такого гибридного накопителя электрической энергии. Все это делает необходимым разработку способов получения материалов для электрохимических суперконденсаторов и освоение методов их исследования и испытаний, изготовленных на их основе.
Участники проекта получат высокопористый углеродный материал, изготовят электродный материал и электроды на его основе, из которых соберут тестовую лабораторную ячейку суперконденсатора. Научатся исследовать ее характеристики и анализировать полученные результаты. Смогут апробировать изготовленную ячейку. Также планируется создание прототипа энергоэффективной системы на базе модифицированных солнечных панелей на основе кремния в сочетании с суперконденсатором для обеспечения бесперебойного питания модели жилого дома с использованием возобновляемых источников энергии.
2. Модифицирование минеральных вяжущих материалов высокодисперсными компонентами
Руководитель проекта: Хайдаров Б.Б.
Аннотация: предложенный проект направлен на получение вяжущих материалов (цементы и сухие смеси) с повышенными эксплуатационными характеристиками. В наличии подобных материалов заинтересованы крупные промышленные предприятия, такие как ПАО «Северсталь» и ООО «Мечел-Материалы». Важность такого рода материалов обусловлена их ценностью при строительстве высотных сооружений, объектов подземной и наземной инфраструктуры. Использование таких материалов ограничивается их стоимостью, которая складывается из-за многостадийности и сложности производства. Поэтому важным путем решения проблемы является возможность создания высокопрочных вяжущих материалов на основе наиболее доступных коммерческих образцов с применением модифицирующих компонентов.
При выполнении проекта планируется рассмотреть влияние различных видов модификаторов, количества и способа их введения на конечные свойства вяжущего материала. Будут проведены исследования состава, структуры и свойств полученных вяжущих материалов. На основании полученных экспериментальных данных будет проведен анализ и выработаны технологические рекомендации, которые в дальнейшем будут использованы при создании промышленной линии по модификации вяжущих материалов.
3. Эффективные антибликовые покрытия для солнечных элементов
Руководитель проекта: Гостева Е.А.
Аннотация: солнце – неисчерпаемый, экологически безопасный и дешевый источник энергии. Солнечная энергетика – перспективное направление возобновляемой энергетики, основанное на непосредственном использовании солнечного излучения, способном заменить собой традиционные ископаемые энергоносители, а в будущем полностью покрыв мировые потребности в электричестве. Участие в проекте позволит приобрести теоретические и практические навыки, необходимые для развития и совершенствования этого перспективного направления. Учащиеся при помощи руководителя проекта смогут узнать об основных принципах работы солнечных элементов, познакомятся с новыми технологическими процессами, направленными на повышение эффективности солнечных элементов и увеличения срока их использования.
В рамках реализации предложенного проекта предлагается решать ряд актуальных задач в области производства и использования солнечных элементов, а именно повышение КПД солнечных элементов за счет использования наноструктурированного материала на основе пористого кремния, увеличения срока службы и возможности использования солнечных модулей в экстремальных условиях (температуры эксплуатации от - 60 до + 80°С) за счет герметизации солнечного модуля фотополимерной композицией с помощью УФ-излучения и возможность максимального преобразования солнечного излучения в течении дня за счет использования систем слежения за солнцем.
В проекте планируется следующий результат:
1. разработка антибликового покрытия на основе пористого кремния с коэффициентом отражения ≈ 1%;
2. разработка и сравнение разных составов фотополимерных композиций, сравнение эффективности полученных модулей, моделирование и разработка формы и размера солнечных модулей;
3. моделирование и разработка ветрогенераторов, печать полученных ветрогенераторов на 3D-принтере;
4. разработка установки с использованием модифицированных солнечных панелей на основе кремния, которая будет в автоматическом режиме отслеживать положение солнца и занимать оптимальное положение для энергоэффективной работы (Smart Energy Plants);
5. разработка энергоэффективной системы на основе модифицированных солнечных панелей на основе кремния в совокупности с суперконденсатором для обеспечения бесперебойного питания жилого дома с использованием возобновляемых источников энергии.
4. Применение биотехнологий для создания новых материалов и решения ряда экологических задач
Руководитель проекта: Кочетов И.И.
Аннотация: проект разработан совместно с ООО «НВП Центр-ЭСТАгео» и ООО «НОРД Инжиниринг» для представления инновационного высокотехнологичного метода утилизации техногенных отходов минерального сырья для дальнейшего получения наноразмерных биохимических пигментов. С помощью приминения биотехнологий решается сразу ряд задач по доизвлечению ценных компонентов и по сокращению в объемах отвальных шлаков, тем самым снижается экологическая нагрузка на регионы их складирования и исключается необходимость применения вредных для окружающей среды реагентов. В ходе процесса установлена возможность использования продуктов жизнедеятельности бактерий в качестве транспарентных биохимических пигментов. Уникальность данных порошков заключается в том, что полученные на их основе краски обладают повышенным качеством и превышают все предъявляемые к ним требования по маслоемкости и цветоотдаче.
Использование микроорганизмов находит все более широкое распространение в практике переработки труднообогатимого минерального сырья и в первую очередь упорных золотосодержащих руд, извлечение золота из которых обычными методами крайне неэффективно. Перед творческой группой стоит задача в рамках проектно-изыскательной деятельности освоить комплекс производственных технологий и биотехнологий, а также создать концептуальные объекты дизайна на базе технологий получения литых композитных материалов из отходов минерального сырья и полиуретановых смол и напечатанных на 3D-принтере материалов, подкрашенных пигментами различной цветовой гаммы.
Ежегодно в России складируют миллиарды тонн техногенных отходов, а утилизации подлежат всего лишь 15%. Из-за складирования отходов металлургического производства происходит отчуждение земель. Постоянный поиск новых решений привел к появлению совершенно нового направления – биотхенологий. Багодаря использванию микроорганизмов появляется возможность не только уменьшить экологическую нагрузку на регионы, но и получать новые материалы – транспарентные пигменты.
Задача данного проекта – разработать комплексную технологию получения порошков (пигментов) различной цветовой гаммы, но не менее важная задача этого проекта – разработка методик оценки качеств и эксплуатационных свойств полученных красок на основе транспарентных пигментов. Проект направлен на решение научно-отраслевой задачи по разработке технологий производства художественных изделий из вторичных материалов.
5. Биосовместимые материалы для реконструктивной хирургии
Руководитель проекта: Жеребцов Д.Д.
Аннотация: каждый день в мире выполняется множество хирургических вмешательств для лечения деформаций и переломов костей. Современные стратегии регенеративной медицины направлены на восстановление архитектуры патологически измененной ткани путем замещения костного дефекта имплантатом, помещенным в зону повреждения. Тем самым сокращаются сроки восстановления трудоспособности и повышается качество жизни пациента. С этой целью объединяются различные технологии, чтобы создать пластический материал, который будет превосходить по своим данным так называемый золотой стандарт. К сожалению, нет идеального имплантата, удовлетворяющего всем требованиям, предъявляемым к пластическому материалу. Все они имеют свои преимущества и недостатки.
Таким образом, реконструктивная хирургия нуждается в новых классах медицинских конструкций, выполненных из материалов, обладающих биосовместимостью и прочностью, сопоставимой с биосовместимостью и прочностью кости человека. Разработка конструкций на основе биосовместимого полимера с использованием аддитивных и субтрактивных технологий позволит использовать их для замещения костных дефектов. Наиболее критичным параметром новых полимерных биоматериалов является их механическая прочность, модуль упругости и биосовместимость. Таким образом выбор материала под конкретный случай является важной задачей, которая вкупе с проблемой разработки дизайна и микроархитектуры имплантата и расчета требуемых механических свойств определяет характер предлагаемого инженерно-технического проекта.
Участники проекта подберут материалы, максимально схожие к свойствам кости; создадут из них различными методами изделия в виде имплантатов для кости человека; будут изучать влияние рельефа, архитектуры, введенных добавок и поверхностной обработки на биосовместимость.
6. Получение железосодержащего материала на основе отходов металлургического производства
Руководитель проекта: Суворов Д.С.
Аннотация: данный проект направлен на переработку промышленных отходов металлургического производства. Участникам проекта предстоит получение новых железосодержащих материалов, которые будут использованы в качестве исходного сырья для электрометаллургического и доменного производства. В связи с тем, что всеми исходными материалами являются крупнотоннажные отходы металлургической отрасли промышленности, которые будут предоставлены металлургическими предприятиями России, данную идею можно отнести к «зеленым» технологиям. При выполнении проекта участники под руководством преподавателя смогут освоить и провести лабораторные исследования физико-химических параметров отходов металлургического производства, а также дисперсионный, фазовый и химический составы данных материалов.
В проведении работ по данной тематике заинтересованы такие компании как ООО «МетПромЦентр», ООО «СТИЛТРЕЙД», ПАО «НЛМК» и промышленные предприятия металлургической отрасли.
Проблема образования и переработки техногенных отходов является одной из важнейших и недостаточно изученных проблем XXI столетия. Значительную долю неиспользуемых отходов составляют отходы металлургии. В настоящее время в России отсутствуют экономически выгодные промышленные технологии рециклинга высокодисперсных отходов электрометаллургического и доменного производств, которые характеризуются высоким содержанием железа (до 40%). Данные отходы, потенциально являющиеся богатым железом металлургическим сырьем, но не могут быть использованы в аглодоменном процессе без проведения необходимых технологических операций. Вследствие этого на большинстве российских металлургических предприятий утилизация шламов осуществляется путем помещения в отвалы. Во всех металлургических переделах образуется значительное количество пыли, которую необходимо улавливать и перерабатывать с целью извлечения полезной фракции, которая может быть использована в дальнейшем.
Данный проект направлен на борьбу с экологической проблемой, связанной с отходами металлургического производства. Участники проекта получат образцы переработанных пылевидных отходов и шламов разного типа с повышенным содержанием железа. В качестве конечного результата участники представят порошковые, гранулированные и брикетированные образцы различных типов шламов и пылевидных отходов, которые можно будет использовать в качестве сырья для металлургического производства.
