Michael Jørgen Hamann

Silikonemuskler kan styre termostaten

mandag 03 sep 12

Kontakt

Michael A. E. Andersen
Professor, Viceinstitutdirektør
DTU Elektro
45 25 36 01

Piezo elektricitet

Piezo er græsk og betyder ’presse’ eller ’klemme’. I visse typer krystaller og keramiske materialer opstår der et elektrisk felt, når man klemmer på dem. Det kaldes piezoelektricitet. Materialer med piezoelektriske egenskaber virker også den anden vej – de kan ændre form, når man sætter strøm til dem. Brødrene Pierre og Jacques Curie tilskrives opdagelsen i 1880.

Materialet ligner gummiagtige rester af en punkteret ballon, men det er fintfølende kunstige muskler af silikone. Materialet kan nu masseproduceres og dermed bane vejen for smartere og billigere udnyttelse af strømmen.

Uden at tænke over det løfter jeg kuglepennen for at notere, hvad Michael Jørgen Hamann siger. Min legemlige computer, centralnervesystemet, har sendt besked til musklerne i min hånd om at bruge akkurat de nødvendige kræfter på at løfte og bevæge kuglepennen henover papiret.

Michael Jørgen Hamann er direktør for Danfoss PolyPower, der producerer kunstige muskler på samlebånd med afsæt i idéen om at kopiere princippet i det intelligente menneskelige muskelarbejde.

Idéen er at bruge mindst mulig energi på det arbejde, der skal udføres, ligesom mennesket hopper over hegnet, hvor det er lavest. Som centralnervesystemet styrer menneskets muskler, skal avanceret computerelektronik få kunstige silikonemuskler til at udføre netop de opgaver, der er behov for i elektriske apparater. Og strømforsyningen skal komme via ultrakompakte og energieffektive transformere, som firmaet Noliac arbejder med. Det sker ved hjælp af avancerede såkaldte piezoelektriske komponenter, der kan omsætte mekanisk tryk til elektrisk højspænding.

Bestræbelserne på at skabe kunstige muskler ved at sætte strøm til polymerer, der under påvirkning fra strømmen udvider sig og trækker sig sammen, er ikke ny. Men det er et gennembrud, at det er lykkedes for virksomheden at producere de kunstige muskler på samlebånd. Det baner vejen for en udbredt kommerciel anvendelse af en teknologi, der udnytter strømmen langt mere effektivt, end tilfældet er i dag. Og i 2008 blev selskabet Danfoss PolyPower A/S oprettet med henblik på at masseproducere de kunstige muskler, som virksomheden benævner ’DEAP film’ (Dielectric Electro Active Polymer).

Muskler i metermål
Den gummiagtige film kan i princippet bruges alle steder, hvor der er behov for at skubbe, trække, bevæge eller føle. Listen over mulige anvendelser er lang og omfatter alt fra blodomløbsregulerende manchetter til ventiler, højtalere og vindmøller. Og nu skal et igangværende forskningssamarbejde mellem DTU Elektro, Noliac og Danfoss Poly- Power – støttet af Højteknologifonden – munde ud i konkrete eksempler på, at teknologien kan bruges i den virkelige verden. Så langt er man ikke endnu, men Michael Jørgen Hamann er meget optimistisk.

”Det er et gennembrud, at vi kan masseproducere den særlige film, der skal fungere som de kunstige muskler. Der bliver forsket meget i teknologien i blandt andet Schweiz og USA, men jeg tør godt stå inde for, at vi er de første i verden, der kan masseproducere filmen. Masseproduktion er forudsætningen for, at teknologien kan blive kommercielt interessant. Derfor kom vi godt på vej, da vi i 2008 kunne vise, at det er muligt at producere filmen i metermål,” siger Michael Jørgen Hamann.

Den masseproducerede kunstige muskel består i hovedsagen af et lag silikone beklædt med elektroder af et mikrometertyndt lag sølv på begge sider. Blandt mange landvindinger undervejs er det lykkedes at gøre den metalbeklædte silikone smidig ved at give den en bølgeform.

For tiden arbejder firmaet på at optimere den kunstige muskel, så den kan generere mest mulig kraft pr. kvadratcentimeter. Og det arbejde skrider ifølge Michael Jørgen Hamann hurtigere fremad end planlagt.

”Vores endemål er en version fem, hvor allerede version fire vil være så effektiv, at den er kommercielt attraktiv. Og i dag er vi godt forbi version tre, hvilket er længere end vi havde planlagt på forhånd,” siger Michael Jørgen Hamann.

Kunstige muskler
Kunstige muskler i metermål. Det er lykkedes Danfoss PolyPower at masseproducere et energieffektivt silikonemateriale, som i kombination med piezoleketriske transformere betyder, at man kan udnytte de fintfølende 'muskler' til f.eks. at åbne og lukke for termostater. Foto: Martin Dam Kristensen

Minimalt energitab
Men selvom musklerne bliver nok så effektive, gør de ikke megen gavn, hvis de ikke får tilført energi og besked på, hvordan de skal omsætte energien i det ønskede arbejde. Her kommer DTU Elektro og professor Michael A.E. Andersen ind i billedet. Han og to ph.d.-studerende arbejder på at udvikle den avancerede elektronik, der skal fortælle musklerne, hvordan de skal arbejde, og hvordan de skal gøre det så effektivt som muligt. Konkret har udfordringen for DTU-forskerne været at styre en piezoelektrisk transformer, så den bevægelige silikonemuskel opfører sig, som den skal.

”Det er lykkedes os at løse den opgave, så tabet af energi er tæt på nul. Det skyldes blandt andet, at vi som de første i verden har fundet ud af, hvordan den tabte energi løbende kan genvindes,” siger Michael A.E. Andersen.

Han vurderer, at teknologien med de fintfølende og smart styrede kunstige muskler er en meget grøn energiteknologi, der overordnet set kan åbne for betydelige energieffektiviseringer og dermed lavere omkostninger og reduktion i udledningen af CO2.

”En mulighed, der ligger lige for, er at bruge teknologien til at åbne og lukke for ventiler i termostater. I den konventionelle teknologi reagerer termostaterne relativt langsomt. Med den nye teknologi, som indebærer musklerne fra Danfoss PolyPower, de kompakte transformere fra Noliac og den elektroniske styring, vi har udviklet, kan man opnå en langt mere intelligent og effektiv styring af termostaterne og dermed rumtemperaturen i boligerne.”

”Hvis vi gennem smart elektronisk styring kan dæmpe varmen i perioder, hvor familien ikke er hjemme og skrue op en time inden fyraften, vil det i sidste ende giver lavere energiforbrug og billigere varme for forbrugerne,” siger Michael A.E. Andersen.

Netop termostater er en af fire anvendelsesmuligheder, som et andet forskningsprojekt – et af Højteknologifondens platformprojekter (se faktaboks) – skal belyse.

Lettere højtalere
En anden mulighed, som Michael A.E. Andersen fremhæver, er højtalere.

Testboks med lille billede

”De kunstige muskler kan skubbe til luft og dermed bruges til at generere lyd. Det kan ske betydeligt mere energivenligt, end tilfældet er med konventionelle højtalere, der bygger på et magnetsystem og kræver dyre råvarer. I sidste ende giver det relativt store og tunge højtalere, som er energitunge at producere.”

”Den nye teknologi indebærer mindre materialeforbrug og lettere højtalere. Hvis for eksempel bilfabrikanterne kunne spare 10 kilo pr. bil på at installere lette højtalere, kunne bilerne køre længere på literen, og det vil virkelig betyde noget i en tid, hvor producenterne konkurrerer på brændstoføkonomi,” påpeger Michael A.E. Andersen.

Han mener også, at teknologien kan bruges til at trække mere energi ud af vinden ved at udstyre vindmøllerne med intelligent styrede flapper, som kan øge møllens strømproduktion.

Den sidste konkrete anvendelsesmulighed i platformprojektet gælder spørgsmålet om, hvorvidt de kunstige muskler kan bruges til at høste mere energi fra havets bølger.

Clausens drøm
Det var tidligere direktør og nuværende bestyrelsesformand for Danfoss, Jørgen Mads Clausen, der allerede i 90’erne fostrede idéen om at masseproducere de kunstige muskler. Men først i 2006 kom det gennembrud, der nu er grundlaget for forskning med konkrete anvendelsesmuligheder for øje. Og i 2008 gik Danfoss PolyPower fra at være et projekt i Danfoss Ventures til at blive et selvstændigt selskab. De kommende års forskning skal vise, om Jørgen Mads Clausens drøm om at efterligne de menneskelige muskler kan få ben at gå på, når det gælder konkrete produkter.  

DEAP- Grøn produktion

Forskningsprojektet DEAP (som står for Dielectric Electro Active Polymer) skal videreudvikle den innovative polymer-teknologi, der kan lave bevægelse til strøm og strøm til bevægelse, samt være med til at gøre teknologien kommercielt flyvefærdig.

DEAP-projektet har et samlet budget på 97 mio. kr. Heraf har Højteknologifonden bidraget med 49 mio. kr.

Projektet løber fra 2011 til 2016. Syv virksomheder, heriblandt Danfoss PolyPower og tre universiteter er partnere i projektet, bl.a. DTU, hvorfra tre institutter deltager, DTU Elektro, DTU Kemiteknik og DTU Management Engineering.

Parterne i projektet peger på, at der er vide markedsmæssige perspektiver i teknologien. De vurderer, at det samlede markedspotentiale ligger i omegnen af 200 milliarder danske kroner. Det er mere end dobbelt så meget som Danmarks samlede årlige salg på sit største eksportmarked, Tyskland. Netop muligheden for at sætte gang i et nyt grønt væksteventyr er hovedårsagen til, at Højteknologifonden har valgt at støtte projektet.

Se mere på www.højteknologifonden.dk

Relaterede Videoer  

Vis flere