Vecný zámer projektu:
Č. projektu: VEGA 1/0435/19
Zodpovedný riešiteľ: prof. Ing. Iraida Kolcunová, PhD.
Názov projektu: Výskum progresívnych materiálov zlepšujúcich interakciu neionizujúceho žiarenia so stavebnými prvkami, za účelom zvýšenia odolnosti stavieb voči elektromagnetickému smogu
Žiadateľ: Fakulta elektrotechniky a informatiky Technickej univerzity v Košiciach
Kľúčové slová: elektromagnetické vlny, vysoká frekvencia, ekologické stavebné materiály, absorpcia, reflexia, útlm
ANOTÁCIA (PODSTATA) VEDECKÉHO PROJEKTU
Projekt bude zameraný na výskum vplyvu progresívnych stavebných materiálov a prvkov na útlm, absorpciu a reflexiu vysokofrekvenčných elektromagnetických vĺn pri prechode cez skúmané materiály a stavebné prvky. Vzhľadom na zvyšujúci sa počet zdrojov elektromagnetického poľa, a ich možného vplyvu na zdravie obyvateľstva sa do popredia dostáva otázka tienenia obytných priestorov. Výskum počas riešenia projektu bude orientovaný na meranie účinnosti tienenia elektromagnetického poľa stavebných prvkov používaných v bežnej stavbárskej praxi, nových ekologických stavebných materiálov a rôznych kombinácií s tieniacimi materiálmi či už vo forme rôznych náterov alebo pevných materiálov. Výskum účinnosti tienenia, absorpcie a reflexie elektromagnetických vĺn sa bude uskutočňovať na aktuálnom, široko využívanom frekvenčnom rozsahu, rádovo v stovkách MHz a jednotkách GHz. Výsledky meraní budú použité pri upresňovaní výsledkov matematickej simulácie v programe ANSYS.
Popis vedeckých cieľov na celú dobu riešenia:
Projekt bude zameraný na skúmanie vplyvu progresívnych materiálov a prvkov vyvinutých v stavebníctve na útlm, absorpciu a reflexiu vysokofrekvenčného elektromagnetického poľa. Ako stavebné prvky budú použité pri meraní bežne používané stavebné materiály a nové ekologické stavebné materiály. Na zvýšenie útlmu stavebných materiálov a prvkov budú aplikované rôzne tieniace materiály. Výskum účinnosti tienenia elektromagnetického žiarenia stavebnými prvkami bude realizovaný v závislosti na frekvencii elektromagnetického vlnenia. Merania budú vykonané v bezodrazovej komore podľa IEEE Standard 299-2006 Method for Measuring the Effectiveness of Electromagnetic Shielding Enclosures.
Predkladaný výskum bude pozostávať z:
Realizačné výstupy a odberateľ výstupu:
Tento typ projektu nevyžaduje okamžitý realizačný výstup v praxi.
MEDZINÁRODNÁ VEDECKÁ SPOLUPRÁCA
Medzinárodná spolupráca s inštitúciami sa zaoberajúcimi problematikou predkladanou v projekte: Technische Universität Graz, Rakúsko ( prof. Michael Muhr); Vysoká škola báňská - Technická univerzita v Ostrave, ČR (prof. Stanislav Rusek); Polytechnika Czestochowska, Poľsko (prof. Andrej Rusek); Technická univerzita Riga, Lotyšsko (prof. Anatolij Mahnitko); Technická univerzita Tallin, Estonsko (Ing. Toomas Vaimann); Budapest Polytechnic, Hungary (prof. Istvan Berta); VUT Brno, ČR (doc. Peter Toman); ZČU Plzeň, ČR (doc. Karel Nohač); PEIPK, S. Petersburg, Rusko (akademik Alexej Tadžibajev); Klokneruv výskumný a skušební ústav stavebních hmot ČVUT Praha (doc. Jiří Kolísko)
a) súčasný stav problematiky
b) predpokladaný vlastný prínos
c) konkrétny návrh postupu na dosiahnutie cieľov projektu, vrátane časového harmonogramu na jednotlivé roky riešenia
d) zdôvodnenie zloženia riešiteľského kolektívu
e) popis použitých metodických postupov a ich zdôvodnenie
a) Súčasný stav problematiky:
Problematike vplyvu elektromagnetických polí na ľudský organizmus je v súčasnosti venovaná veľká pozornosť. Široká verejnosť sa stále viac zaujíma o možnosti ako minimalizovať expozíciu elektromagnetických polí. Otázka ochrany pred účinkami elektromagnetických polí je aktuálna aj v rámci Európskej únie (EÚ). Európska rada, ako aj Európsky parlament vydali návrhy opatrení týkajúce sa elektromagnetických polí. Ide o odporúčanie Rady (1999/519/ES) z 12. júla 1999 o obmedzení vystavenia širokej verejnosti elektromagnetickým poliam (0 Hz až 300 GHz), ktoré vychádzajú z odporúčaní Medzinárodnej komisie na ochranu pred neionizujúcim žiarením (ICNIRP) [1]. Druhým dokumentom je Smernica európskeho parlamentu a rady 2013/35/EÚ z 26. júna 2013 o minimálnych zdravotných a bezpečnostných požiadavkách týkajúcich sa vystavenia pracovníkov rizikám vyplývajúcim z fyzikálnych činidiel (elektromagnetické polia) [2]. Aj napriek podpore, ktorá je venovaná výskumu vplyvu elektromagnetických polí a prijatiu limitov na ochranu obyvateľov v súvislosti s expozíciou elektromagnetickému poľu, negatívne vnímanie tejto problematiky obyvateľstvom neustále rastie (napr. výsledky Eurobarometra č. 347 z roku 2010). Vzhľadom na uvedené sa stále viac venuje pozornosť na možnosti odtienenia obytných a pracovných priestorov [3].
Americký národný inštitút pre normy a technológie (NIST) uskutočnil rozsiahle testy o tom, ako môžu rôzne stavebné materiály tlmiť elektromagnetické pole. Boli skúmané stavebné materiály o rôznej hrúbke ako sú tehly, betón, drevo, sadrokartón, preglejka, sklo a iné. Testy sa uskutočnili pre frekvencie od 500 MHz po 8 GHz [4]. Toto pásmo pokrýva emisie z mobilných telefónnych veží 3G, 4G, LTE, Wi-Fi, DECT, bezdrôtové telefóny, digitálna televízia, GPS, bezdrôtové inteligentné merače, detské monitory a mnoho ďalších zariadení [5] [6]. Vo všeobecnosti tieto testy ukázali, že štandardné stavebné materiály poskytujú zlé tienenie elektromagnetických polí. Ak chceme získať ochranný efekt, ktorý stojí za zváženie (útlm 20 dB a viac) bolo by potrebné urobiť nereálne hrubé tehlové steny [7]. Vzhľadom na nereálnosť daného opatrenia je vhodnejšia kombinácia stavebných materiálov s istou formou tienenia. Kovové tienenie väčšinou odráža elektromagnetické vlnenie, nekovové materiály naopak môžu absorbovať elektromagnetické vlnenie. Pri zvažovaní odtienenia určitých miestností, najslabší článok v reťazci určuje celkové tienenie [8]. Účinnosť tienenia môže byť znížená možnosťou prieniku elektromagnetických vĺn napríklad cez okno, dvere, strechu atď.
Medzi v súčasnosti používané tieniace prvky môžeme zaradiť flexibilné polymér/grafénové kompozitné filmy. Sú to kompozitné filmy slúžiace ako ideálne tienenie elektromagnetického rušenia [9]. Daný materiál vykazuje uspokojivé výsledky účinnosti tienenia (SE) 20dB v pásme frekvenčného rozsahu 5,4 - 59,6 GHz. Ako ďalšia možnosť sa javia uhlíkové nanovláknové kompozity. Podľa uskutočnených meraní sa tieto nanokompozity vykazujú hodnotu útlmu až -40 dB vo frekvenčnom rozsahu od 26.5 - 40 GHz.
Pre vysoko účinné tienenie elektromagnetického rušenia je možné použiť polyétersulfónové (PES) nanokompozity [10]. Pre experiment je možné použiť tenké filmy PES spoločne s viacvrstvovými uhlíkovými nanotrubicami. Všeobecne sa predpokladá, že hrubé materiály poskytujú omnoho väčšiu účinnosť tienenia v porovnaní s tenkými materiálmi pri podobnom obsahu plnenia [11]. Mimoriadne vysoká účinnosť tienenia 35 dB elektromagnetického rušenia (oveľa vyššia ako bežná komerčná požiadavka tienenia 20 dB) bola dosiahnutá v pásme X-band (8.2 - 12.5 GHz) pri nízkej hrúbke 0.5 mm. Okrem toho kompozity CNT (uhlíkové nanotrubice) na báze PES sa vyznačujú vysokou elektrickou vodivosťou 450 S/m a vysokou dielektrickou konštantou 127, čo je o 40krát viac ako v prípade bežných polymérov. Uhlíkové nanotrubice boli značne skúmané v rôznych polymérových materiáloch na zvýšenie účinnosti tienenia SE elektromagnetického rušenia prostredníctvom príspevkov elektrickej vodivosti pre aplikácie, ako sú mobilné telefóny, notebooky, vesmírna elektronika, vojenské systémy a zdravotnícke pomôcky [11].
Literatúra je v prílohe.
b) Predpokladaný vlastný prínos:
Výstupom predkladaného projektu bude: kvantifikácia vlastností progresívnych stavebných materiálov a prvkov s ohľadom na ich ovplyvňovanie veľkosti elektromagnetickému poľu (EMP). Budú vykonané porovnania účinnosti tienenia, absorpcie a reflexie elektromagnetického poľa ako bežne používaných tak aj novovyvinutých stavebných a ekologických materiálov. Bude preskúmaná aj ich kombinácia s tieniacimi materiálmi prevažne v podobe rôznych doplnkov do stavebnej hmoty alebo náterov v závislosti na frekvencii elektromagnetického poľa. Výsledky projektu budú spracované vo forme tabuliek, v ktorých bude uvedený útlm, absorpcia a reflexia skúmaných stavebných materiálov a prvkov a zmeny hodnôt účinnosti tienenia, absorpcie a reflexie uvedených materiálov po aplikácii progresívnych tieniacich materiálov.
Spracovaná dokumentácia ohľadom hodnotenia účinnosti tienenia stavebných materiálov a prvkov ako samotných tak aj v kombinácii s progresívnymi tieniacimi materiálmi budú poskytovať informácie ako pre širokú verejnosť tak aj pre samosprávy a štátne orgány zaoberajúce sa problematikou vyhodnocovania vplyvu elektromagnetických polí na človeka. Výsledky môžu byť využité aj prevádzkovateľmi telekomunikačných zariadení, prípadne inými výskumnými organizáciami.
Ďalšie možnosti využitia získaných výsledkov sa predpokladajú u širokej verejnosti napríklad pri potrebe získať informácie pri výbere vhodných stavebných materiálov poskytujúcich kvalitnejšie tienenie voči elektromagnetickému žiareniu pri nových výstavbách, prípadne odtieniť existujúce obytné priestory výberom vhodného tieniaceho materiálu.
Výsledky projektu je možné považovať za významný prínos, ktorý prispeje k zvýšeniu kvality životného prostredia a ochrany obyvateľstva, voči nepriaznivým vplyvom elektromagnetického žiarenia.
c) Konkrétny návrh postupu na dosiahnutie cieľov projektu, vrátane časového harmonogramu na jednotlivé roky riešenia:
Projekt bude orientovaný na výskum vplyvu progresívnych materiálov na tienenie, reflexiu a absorpciu vysokofrekvenčných elektromagnetických vĺn pri prechode cez stavebné prvky. Najskôr budú zvolené jednotlivé stavebné materiály, ktoré sa bežne používajú pri výstavbe obytných budov (tehly rôzneho zloženia a rozmerov, betónové tvárnice, strešné krytiny, sklo a iné). Zároveň sa budú hľadať nové stavebné prvky na báze ekologických materiálov. Po zistení ich útlmových charakteristík sa navrhnú spôsoby zvýšenia útlmu vysokofrekvenčných elektromagnetických vĺn. Následne sa odmerajú nové útlmové charakteristiky skúmaných stavebných prvkov v kombinácii s aplikovanými tieniacimi materiálmi.
Riešenie úloh projektu bude rozdelené do nasledovných etáp:
d) Zdôvodnenie zloženia riešiteľského projektu:
Riešiteľský kolektív tvoria štyria zamestnanci a jeden doktorand Katedry elektroenergetiky, FEI TU v Košiciach, štyria zamestnanci Katedry avioniky, LF TU v Košiciach a jeden zamestnanec Katedry procesného a enviromentálneho inžinierstva SJF TU v Košiciach ktorí sa podieľali na riešení viacerých vedecko-výskumných projektov. Riešitelia projektu máju skúsenosti s meraním, modelovaním a výpočtami elektromagnetického poľa, vrátane návrhu metodiky na meranie útlmu, reflexie a absorpcie elektromagnetických vĺn. Katedra elektroenergetiky a katedra avioniky máju k dispozícií bezodrazové komory, kde budú prebiehať merania útlmu, reflexie a absorpcie elektromagnetických vĺn stavebnými materiálmi a prvkami.
Zodpovedný riešiteľ: prof. Ing. Iraida Kolcunová, PhD. – odborník v oblasti elektromagnetickej kompatibility so zameraním na vplyv elektromagnetického žiarenia na činnosť elektroenergetických systémov a zariadení, na prienik, odraz a pohltenie elektromagnetických vĺn cez stavebné materiály a spôsoby ochrany obyvateľstva proti účinkom elektromagnetického žiarenia.
Zástupca zodpovedného riešiteľa: doc. Ing. Ján Labun, PhD. – odborník v oblasti rádioelektroniky a elektromagnetickej kompatibility so zameraním na analýzu interakcie vysokofrekvenčného elektromagnetického poľa s hmotným prostredím a využitie tejto interakcie pri ochrane živých organizmov a sofistikovaných elektronických systémov pred uvedeným žiarením.
doc. Ing. Pavol Kurdel, PhD. – odborník na problematiku leteckých komunikačných a navigačných systémov lietadiel a v oblasti riadenia zložitých leteckých systémov so zameraním na ich spoľahlivosť a prevádzkyschopnosť.
Ing. Ján Zbojovský, PhD. odborník na problematiku šírenia elektromagnetického poľa prostredím a v oblasti počítačového modelovania elektromagnetických polí numerickými metódami.
Ing. Marek Pavlík, PhD. - odborník na problematiku šírenia elektromagnetického poľa prostredím a zároveň sa orientuje na mapovanie elektrického, magnetického a elektromagnetického poľa v životnom prostredí.
Ing. Dušan Medveď, PhD. – odborník v oblasti počítačového modelovania teplotných a elektromagnetických polí numerickými metódami a v oblasti počítačového modelovania prvkov elektrizačnej sústavy.
Ing. Marek Češkovič, PhD. – odborník v oblasti rádioelektroniky a elektromagnetickej kompatibility, leteckých rádiokomunikačných, rádiotechnických a rádionavigačných zariadení a leteckej elektroniky.
Ing. Samuel Bucko, PhD. – odborník na problematiku meracích a diagnostických systémov v elektrotechnike, v oblasti materiálov ako aj pri monitorovaní ich štrukturálnych zmien pri pôsobení vonkajších faktorov.
Ing. Pavol Liptai, PhD. – má dlhoročné praktické skúsenosti v oblasti objektivizácie a hodnotenia parametrov elektromagnetických polí v životnom a pracovnom prostredí. Je odborne spôsobilou osobou pre vykonávanie meraní elektromagnetických polí v životnom a pracovnom prostredí.
Ing. Jakub Urbanský - je interným doktorandom na KEE FEI TU v Košiciach. Špecializuje sa na oblasť silnoprúdovej elektroenergetiky a modelovania v programe ANSYS.
e) Popis použitých metodických postupov a ich zdôvodnenie:
Výber navrhovaných postupov vychádza zo skúseností vo vedecko-výskumnej činnosti riešiteľského kolektívu v skúmanej oblasti. Pre dosiahnutie stanovených cieľov bude použitý nasledovný metodologický postup:
Výsledky simulácie a výpočty tlmiacich charakteristík skúmaných materiálov budú spracovávané a vyhodnocované pomocou programu ANSYS. Ďalej budú výsledky archivované vo vytvorenej databáze.