Ingeborg Treu Røe, Elise Ramleth Østli og Daniel Tevik Rogstad, i tillegg til 3-4 andre doktorgradskandidater er del av “batteri-gjengen». De har et nært vennskap og felles interesse og samarbeid i sin ph.d.-forskning. Foto: Per Henning/NTNU

Å ta en PhD kan være både spennende, belønnende og ganske utfordrende. Spennende og belønnende på grunn av det interesse og nysgjerrighet som kandidaten sannsynligvis har for sitt valgte forskningsområde og muligheten til å oppdage noe nytt og unikt som verden kan dra nytte av. Utfordrende på grunn av alle eksperimenter som tilsynelatende ikke fører noen steder og for å finne tålmodigheten til å vente på noen signifikante resultater som kan dokumenteres.

NTNU søker nye doktorgradskandidater

Hvis du ikke er klar for arbeidslivet etter at du har fullført masterstudiet og ønsker å dykke inn i forskning i et område som interesserer deg, så kan en doktorgradsstilling være et godt valg.

NTNU søker nå etter nysgjerrige og entusiastiske forskere som ønsker å ta en doktorgrad innenfor naturvitenskap og teknologi. Utlysningene finner du på jobbnorge.no

Felles utlysning for instituttene ved Fakultet for naturvitenskap

Doktogradsstillinger ved NTNU

Her er historien og erfaringene fra to ferske doktorgradskandidater ved Institutt for materialteknologi:

Elise Ramleth Østli og Daniel Tevik Rogstad – doktorgradskandidater ved Institutt for materialteknologi. Foto: Per Henning/NTNU

Brennende interesse for forskning og å oppdage noe nytt

Daniel Tevik Rogstad og Elise Ramleth Østli startet sin doktorgradsforskning i høst. Daniel kommer direkte fra masterstudiet ved NTNU og Elise tok sin mastergrad for to år siden. Begge to er sivilingeniører fra det 5-årige masterprogrammet i kjemi og bioteknologi. Daniel hadde et mål om å drive med forskning fra en tidlig alder.

“Helt siden videregående skole har jeg ønsket å jobbe med fornybar energi – å bidra til noe nytt og å drive med forskning. Å følge opp min mastergrad med en doktorgrad var et naturlig valg for meg”, sier han.

For Elise vokste ønsket om å fortsette med forskning frem når hun jobbet med sin masteroppgave

“Jeg ble inspirert til å ta en doktorgrad da jeg arbeidet med masteroppgaven min. Da fikk jeg muligheten til å være del av flere forskjellige forskningsmiljøer ved NTNU. Jeg lærte mye og ønsker med en doktorgrad å fordype meg innenfor et forskningsområde”, sier hun

Tydelige forskjeller mellom en mastergrad og en doktorgrad

Både Daniel og Elise syns at det finnes noen tydelige forskjeller mellom å ta en mastergrad og å være doktorgradskandidat.

“Å ta en doktorgrad krever mer selvstendig arbeid, og retningslinjene er ikke så klare som når du skriver masteroppgaven din. Å ha en veileder eller assisterende veileder til stede er svært viktig i løpet av forskningen, spesielt i begynnelsen av en doktorgrad”, sier Daniel.

Det er mye informasjon å gjennomgå, før man starter med en doktorgrad i tillegg til de obligatoriske doktorgradskursene og undervisningsforpliktelsene.

“Vi går gjennom mye forskningslitteratur på nettet for å finne ledetråder om hva som har blitt gjort før, mulige arbeidsmetoder som vi kan bruke og for å finne inspirasjon til forskningen vår”, sier Elise

Elise holder opp en bit av litium, materialet som holder ladningen i litium-ion batterier. Foto: Per Henning/NTNU

Forbedrer litium-ion batterier

Daniel og Elise jobber med litium-ion batterier. De bidrar til forbedringen av den allerede eksisterende batteriteknologien. Daniel prøver å erstatte grafitt i anoddelen av batteriet med silisium. Silisium har høyere energitetthet og vil derfor generere kraftigere batterier som varer lenger. Den største utfordringen er at silisium har en tendens til å ekspandere og mister derved mange fordelaktige egenskaper.

Elise jobber med den andre siden av batteriet, katoden. Målet med hennes forskning er å finne et materiale til høyspenningskatoden som vil øke energitettheten til batteriet. Utfordringen her er at elektrolytten i katoden kanskje ikke er stabil nok når høyspenningen øker (en elektrolytt er et stoff som inneholder frie, bevegelige ioner og som derfor er elektrisk ledende. – Wikipedia).

Daniel og Elise jobber tett sammen, og i hovedsak er de på jakt etter en elektrolytt som fungerer både for Elises høyspenningskatode og Daniels silisiumanode.

Sluttresultatet; et litium-ion-batteri. En dag i nær fremtid håper Daniel og Elise å produsere et sterkere og mer holdbart batteri enn dette. Foto: Per Henning/NTNU

En viktig del av doktorgraden er å produsere publikasjoner. En doktorand er pålagt å være hovedforfatter av minst 3 publikasjoner som blir publisert i anerkjente tidsskrifter.

Daniel og Elise er begge enige om at å ta en doktorgrad er en nyttig og spennende erfaring med noen store utfordringer, men at det definitivt er verdt å ta sjansen til å bidra til en bedre, mer kunnskapsrik og grønnere verden.

Eksempler på doktorgrader innenfor naturvitenskap og teknologi

Kristine Kvangarsnes ved Institutt for biologiske fag Ålesund tar en doktorgrad om proteinoksidasjon hos feite fiskearter. Foto: Per Henning/NTNU

Anna Synnøve Røstad Nordgård ved Institutt for bioteknologi og matvitenskap tok en doktorgrad med fokus på miljøbioteknologi og biogass. Foto: Per Henning/NTNU

Cansu Birgen ved Institutt for kjemisk prosessteknologi. Målet med Cansus doktorgrad er å få bakterier til å produsere bærekraftig flydrivstoff. Foto: Per Henning/NTNU

Audun Formo Buene ved Institutt for kjemi tar en doktograd om organiske solceller. Foto: Per Henning/NTNU

Ingrid Henry ved Institutt for bioteknologi og matvitenskap tok en doktorgrad om karbonfangst og lagring (CCS) for å fjerne CO₂ fra planeten. Foto: Per Henning/NTNU

Vegard Flovik ved Institutt for fysikk tok en doktorgrad innen teoretisk fysikk. Foto: Per Henning/NTNU

Thomas Bakka ved Institutt for kjemi tok en doktorgrad om kampen mot multiresistente bakterier. Foto: Per Henning/NTNU

Espen Undheim ved Institutt for materialteknologi forsvarer snart sin doktorgrad om å forbedre kvaliteten på solceller. Foto: Per Henning/NTNU

Mercy Afadzi ved Institutt for fysikk tok en doktorgrad innenfor biofysikk og medisinsk teknologi. Foto: Per Henning/NTNU

Mari Løseth ved Institutt for biologi undersøkte miljøforurensning hos fugler i sin doktorgrad.

Nikola Kanas ved Institutt for materialteknologi designer og behandler termoelektriske materialer i sin doktorgrad. Foto: Per Henning/NTNU

Les mer om Nikola Kanas erfaringer som doktorgradskandidat i Norge og ved NTNU (på engelsk)

Hvordan oppfører forskjellige kvartstyper seg når de varmes fra 20 til 1500 °C? Svaret kan hjelpe oss til å produsere materialer med mindre avfall.

Silisium har en rekke bruksområder i vår hverdag. Smarttelefonen du holder i hånda inneholder silisium, og det samme gjør alle andre elektroniske enheter med en transistor. – Det finnes i alt fra medisinsk utstyr til aluminiumslegeringer og solceller. Med andre ord: silisium er avgjørende for vårt teknologiske liv.

Mineralet kvarts er råmateriale til produksjon av silisium. Mineralet kan finnes på de aller fleste steder rundt omkring på Jorden, men i forskjellige former. Sandstrender inneholder blant annet en stor mengde kvarts, som er en type silisiumdioksid. Jeg forsker på hvordan vi kan utnytte kvarts til det maksimale i silisiumproduksjon.

En bit kvarts. Du har sikkert sett en lignende utallige ganger ute i naturen uten å tenke over det. Men den er altså råvaren til en rekke høyteknologiske utviklinger.

Silisiumproduksjon

Produksjon av silisium kan noe forenklet deles opp i følgende punkter:

1. Kvarts puttes opp i en stor ovn sammen med ulike karbonmaterialer, som for eksempel koks.
2. Energi tilføres prosessen for å øke temperaturen til rundt 2000 °C.
3. En rekke kjemiske reaksjoner skjer
4. Flytende silisium kan tappes fra ovnen.

En silisiumovn i industriell skala. Råmaterialene tilsettes på toppen, og vil synke nedover i ovnen. Diameteren på en slik ovn kan være rundt 10 meter. Illustrasjon av Thorsteinn Hannesson. (2016). The Si Process – Drawings

Samme byggesteiner, forskjellig oppførsel

Selv om produksjon av silisium høres veldig enkelt ut, nesten som å bake en kake, er det veldig komplekst. En av tingene som kompliserer prosessen er at det du putter inn i ovnen vil påvirke hvor bra (hvor energieffektivt) ovnen klarer å produsere det du vil ha.

Siden kvarts finnes overalt i verden, har de forskjellig geologisk historie, urenheter og trykk- og strekkbelastninger gjennom millioner av år i jordskorpa. Dette vil påvirke hvordan kvarts oppfører seg i en silisiumovn ved 2000 °C.

I min forskning forsøker jeg å måle akkurat dette: Hvordan oppfører kvarts seg ved høye temperaturer, og hvorfor oppfører den seg akkurat slik?

Sett under ett ender kun 10 % av ressursene vi henter fra naturen opp i produktene vi lager. Resten mistes under produksjonen som avfall. Dette er ikke veldig bærekraftig, og vi burde begynne å bruke mer av det vi allerede henter ut. Et steg på veien er å øke kunnskapen om kvarts og hvordan denne påvirker silisiumproduksjon. Jeg undersøker blant annet hvordan sjokkoppvarming påvirker kvartsen. Det er dette som skjer når kvarts tilsettes en silisiumovn.

Sjokkoppvarming av kvarts

En av egenskapene jeg undersøker er hvordan forskjellige kvartstyper takler en temperaturøkning fra romtemperatur til 1500 °C. Når kvarts blir eksponert for slike temperaturer, vil den sprekke opp og produserer en større mengde små biter i ovnen. Dette kan føre til en mer tettpakket masse i ovnen, noe som påvirker oppførselen til ovnen og hvor godt den produserer.

To forskjellige kvartstyper etter sjokkoppvarming til 1500 °C. Typen til høyre har produsert en større mengde små partikler.

Totalt sett skal jeg undersøke tre forskjellige kvartstyper og fem forskjellige egenskaper. Deretter skal jeg prøve å se sammenhengen mellom egenskapene jeg måler med de fundamentale egenskapene hver kvartstype har. Forhåpentligvis vil jeg være i stand til å forutse hvordan en type kvarts oppfører seg i ovnen.

Hvis vi vet dette, kan man gjøre to ting:

• Tilpasse de andre ovnsparameterne til kvartsen slik at produksjonen blir så effektiv som mulig.
• Teste nye mulige kvartstyper før man etablere en ny kvartsgruve

På denne måten kan energi, utslipp til miljøet og inngrep i naturen reduseres!

Dette forskningsprosjektet er i samarbeid med Elkem AS, og er finansiert av Forskningsrådet.

Kvarts er en type silisiumdioksid som er satt sammen av ett silisiumatom og to oksygenatomer. I produksjonen av silisium er karbon og energi (varme) tilsatt, og vi ender opp med silisium og karbonmonoksidgass. Illustrasjon av Thorsteinn Hannesson. (2016). The Si Process – Drawings.

Dette blogginnlegget er skrevet av Karin Fjeldstad Jusnes. Hun er stipendiat ved Institutt for Materialteknologi, NTNU.

Fredag 9.mars skal 312 skoleelever + 34 lærere fra 17 videregående skoler konkurrere om hvem som har designet den beste el-fergen, hvem som har laget den beste vindturbinen og hvem som vinner åpen klasse i marine konstruksjoner.

Ocean Space Race er en nasjonal konkurranse for elever ved videregående skoler med faget «Teknologi og forskningslære» på læreplanen. Konkurransen blir arrangert av Samarbeidsforum Marin, SINTEF Ocean og NTNU i felleskap. Elevene konkurrerer om å bygge beste båtmodell i skipsdesign, design av vindturbin og marine konstruksjon i åpen klasse. I år er det 10 års jubileum for Ocean Space Race.

Designer batteridrevne ferger

Foto: Vegard Sæther

I år er det hele 29 konkurransegrupper i ‘Den Unge Skipsdesigneren’. Oppgaven er endret til å omhandle batteridrevne ferger over Sognefjorden. Dette er gjort for å engasjere elever til å se miljøaspektene ved å erstatte eksisterende diesel-ferge med elektrisk ferge.

Gruppene som konkurrerer i klassen ‘Den Unge Skipskipsdesigneren’ skal testes for fart, manøvrering og stabilitet. I fartsprøve skal modellskipene kjøre bassenget på langs (ca. 70 m), én vei, hurtigst mulig. Manøvreringsprøven tester manøvreringsevnen til modellskiper, hvor den skal kjøre sikksakk mellom fem bøyer som ligger med to meters mellomrom. Båtene skal kjøre slalåm frem og rett rute tilbake. Stabilitet/krengeprøven tester modellskipets stabilitet ved påført krengemoment på 7,5 kg*cm (0,75 Nm).

Nysgjerrighet og kreativitet

I ‘Åpen klasse’ er det påmeldt fem konkurransegrupper. Dette er en konkurranse som skal pirre nysgjerrigheten og kreativiten til elevene med tanke på skipsdesign fra vikingtiden til i dag, marine ressurser og matproduksjon til sjøs, marin forsøpling og energi. Modellene som konstrueres i åpen klasse får mulighet til å gjennomføre farts-, manøvrerings- og stabilitetsprøvene etter eget ønske. I denne konkurranseklassen vil kreativitet og design påvirke sluttresultatet.

Foto Vegard Sæther

Populær vindturbinklasse

Vindturbinklassen omhandler vindenergi, hvor det er påmeldt hele 13 konkurransegrupper!

Deltakerne i denne klassen skal gjennom to tester:

1. Produsert effekt: Vindturbinen vil bli utsatt for vind i en hastighet på 6 m/s. Den produserte effekten vil bli målt.
2. Knekktest: Det bli påsatt en horisontal kraft som øker helt til konstruksjonen knekker. Høyeste poengsum blir gitt til gruppen som har flest kilogram knekklast per kilogram konstruksjon.

Foto: Pål Leraand

Ocean Space Race er i gang fra 8.-9.mars med omvisning, foredrag, innblikk i studentlivet og ikke minst gjennomføring av konkurranseklassen ved Havbassenget ved Marinteknisk Senter.

Denne teksten er skrevet av Dhanushi N. Attanapola,
student ved Institutt for marin teknikk

Foto: Shutterstock

Sirkulær økonomi er en tenkemåte der ideen er å maksimere verdiskapning ved å utnytte råmaterialer og ressurser i sirkulære systemer, også kjent som sirkulære modeller. Det kan handle om å utvide livet til et produkt, ved reparasjon og reproduksjon, eller tilby produktet som en tjeneste. En sirkulær økonomi betyr også å finne forretningsmuligheter for både eksisterende og nye bedrifter gjennom økt verdiskapning, f.eks. ved å ta tilbake produkter, tilby nye tjenester, gjenbruk av deler og komponenter, resirkulere materialer osv.

På denne måten kan en sirkulær økonomi bidra til økt effektivitet i verdikjeden og mer effektiv bruk av naturressurser og energi, noe som fører til økt konkurranseevne, vekst og flere jobber.

CIRCit fokuserer på utvikling av verktøy og fremgangsmåter basert på den nyeste vitenskapen og i nært samarbeid med bedrifter for å gjøre det mulig for den nordiske industrien å:

• Forstå det samlede potensialet ved implementeringen av sirkulær økonomi
• Lage nye forretningsmodeller – inkludert nye tilbud og verdiforslag
• Utvikle sirkulære produkter, tjenester og løsninger – for økt verdiskaping
• Støtte bruk og håndtering av sirkulære produkter, tjenester og løsninger gjennom smarte IT-løsninger
• Lukke materialstrømmer ved gjenbruk, reproduksjon og resirkulering
• Sikre at de sirkulære løsningene også er mer bærekraftige

 Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet (NTNU) har en sentral rolle i det nylig igangsatte CIRCit-prosjektet, som skal lede og støtte den nordiske industrien i overgangen til bærekraftighet gjennom sirkulær økonomi. Målet er at den nordiske industrien skal etablere seg selv som en forløper på området og samtidig styrke sin posisjon i et svært konkurransepregete internasjonalt marked.

Verktøyene og fremgangsmåtene som blir utviklet i CIRCit-prosjektet vil bli gjort fritt tilgjengelig for den nordiske industrien. Hvis bedriften din vurderer sirkulær økonomi, eller har faktisk begynt å integrere sirkulær økonomi i virksomheten din, oppfordrer vi deg til å bli med oss som industripartner. Ser fram til å høre fra deg!

CIRCit – Circular Economy Integration in the Nordic Industry for Enhanced Sustainability and Competitiveness utføres mellom 2017-2020 og er en del av Nordic Green Growth Research and Innovation Programme finansiert av NordForsk, Nordic Energy Research og Nordic Innovation. Prosjektet ledes av Danmarks Tekniske Universitet (DTU) sammen med Swerea IVF, Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet (NTNU), Innovation Center Island og Federation of Technology Industries in Finland.

Les mer: http://circitnord.com/

Kontakt:

Foto: NTNU

Jingyue Li

Førsteamanuensis, Instiutt for datateknologi og informatikk

+ 47 918 97 446

jingyue.li@ntnu.no

Eivind Kristoffersen

PhD stipendiat, Institutt for datateknologi og informatikk

+ 47 994 48 023

eivind.kristoffersen@ntnu.no

Nok en gang ble Ocean Space Race et vel gjennomført arrangement fylt med fart, spenning, jubel og vafler!

Den 9.mars 2018 fylte 312 elever fra videregående skoler fra hele Norge, Marinteknisk Senter og Havbassenget for konkurranser i klassene: Den Unge Skipsdesigneren, Vindturbin og Den Åpne Klasse. Havbassenget ble rigget klart dagen før med tribuner, standplasser og arbeidsbord til elevene og andre tilskuere.

Ocean Space Race er så heldig å få flere frivillige studenter fra marin teknikk-studiet til å få arrangementet til å gå rundt. Dette gjelder alt fra å organisere farts-, manøvrerings- og stabilitetssjekk, til å rigge opp Havbassenget, være omvisere og steke vafler.

Elevene som deltar i klassen Den Unge Skipsdesigneren står ovenfor prøvelser i fart, manøvrering og stabilitet. Elevene fra Stord Videregående skole (Gruppe 5) hadde klassens raskeste skip og tok 2.plassen i konkurransen sammenlagt. Vestby Videregående skole B (Gruppe 13) hadde arrangementets mest stabile skip og tok 3.plassen sammenlagt. Det mest manøvreringsdyktige skipet var fra Spjelkavik Videregående skole A (Gruppe 10).

Vinneren av klassen Den Unge Skipsdesigneren hadde et skip som presterte godt på fart, manøvrering og stabilitet. 1.plassen ble tildelt Spjelkavik Videregående skole B (Gruppe 11). På bildet nedenfor ser dere vinnerlaget med deres modellskip.

Vinnerne av Den unge skipsdesigneren – Spjelkavik videregående skole

Vindturbinklassenes modeller testes for produsert effekt og knekktest av turbinens fagverk. Elevene fra Levanger Videregående skole D (Gruppe 3V) vant denne klassen.

I Åpen Klasse får elevene lov til å være kreative og bygge en maritim konstruksjon eller farkost med inspirasjon fra vikingtid til dagens utfordringer i marine ressurser, matproduksjon, energi og forsøpling. Elvebakken Videregående skole D (gruppe 4Å) gikk av med seien med deres ubåt/ROV som er utstyrt med både kamera og gripearm. Hensikten med deres farkost var å hente plastemballasje fra havet, som anses som et av de store utfordringene i dag.

Under arrangementet fikk elevene også omvisning i de ulike laboratoriene ved marinteknisk senter og lytte til spennende foredrag fra professorer ved NTNU og Sett Sjøbein.

Linjeforeningen til Marin Teknikk, Mannhullet, presenterte også deres tilbud for deltakerne. Presentasjonen har med hensikt å vise frem det sosiale tilbudet linjeforeningen har å by på. I tillegg stod Rekrutteringsgruppen til Marin Teknikk på stand for å fortelle om studiet.

Aktiviteter, underholdning og konkurranser ble livestreamet, slik at hver og en kunne følge med på sosiale medier eller storskjermer ved marinteknisk senter.

Arrangørene og de frivillige studentene er fornøyd med konkurransedagen, og håper at elevene kommer tilbake neste års Ocean Space Race eller som fremtidige studenter ved NTNU.

Denne bloggposten er skrevet av studentene Dhanushi N. Attanapola og Kristine Senderud

Krystallene som dannes når man produserer silisium til bruk i solceller, er avgjørende for solcellenes kvalitet. Men hva skjer når krystallene dannes, og er det mulig å påvirke prosessen?

Silisium til bruk i solceller produseres i ovner som varmes opp til nærmere 1500 grader. I løpet av de timene det tar før man kan ta en kompakt form med avkjølt solcellesilisium ut av ovnen, har det skjedd mye som vil være avgjørende for solcellens kvalitet. I den kritiske fasen dannes krystaller i materialet som på ulike måter påvirker materialets egenskaper.

For å bedre kvaliteten på silisium til solceller, trenger man derfor mest mulig kunnskap om hva som skjer med materialet mens det avkjøles i ovnen. Hvis man vet hvordan krystaller dannes i materialet i denne perioden, kan man også finne ut hvordan man påvirker prosessen for å få en struktur på materialet som gir høyest mulig kvalitet.

Det har jeg forsket på i mitt doktorgradsarbeid.

Slik ser en bit solcellesilisium ut når den er tatt ut av en smelteovn som den vist i bakgrunnen, og delt i to.
Foto: Per Henning / NTNU.

To typer solcellesilisium
Silisium som brukes i solceller kan deles inn i to kategorier: monokrystallinsk og multikrystallinsk silisium. Forskjellen mellom de to er at monokrystallinsk består av en perfekt krystall, mens det multikrystallinske materialet er sammensatt av flere krystaller. Multikrystallinske silisiumsolceller har lavere effektivitet enn monokrystallinske, men de er mye billigere å lage.

Jeg har forsket på multikrystallinsk solcellesilisium.

Silisium i smelteovn
Når man lager silisium til bruk i multikrystallinske solceller, legges biter av silisium i en form, kalt en digel. På innsiden av digelen blir det påført silisiumnitrid-partikler (Si3N4) i pulverform. Målet er å hindre at silisiumen klebrer til digelen.

Disse bitene blir deretter smeltet i en ovn som kan nå temperaturer opp mot 1500-1600 grader.

Kritiske timer
I løpet av de timene det tar før man kan ta en kompakt form med solcellesilisium ut av ovnen, har det skjedd mye som vil være avgjørende for solcellens kvalitet.

Størkningsprosessen som skjer mens materialet går fra rødglødende smelte til en avkjølt, solid klump silisium, starter ved at temperaturen på varmeelementene i ovnen senkes. For multikrystallinsk silisium ønsker vi at størkningen går i en viss retning. Dette kan vi påvirke med hvordan vi senker temperaturen på varmeelementene.

Møtepunktene mellom krystaller påvirker kvaliteten
Størkningsprosessen består av to steg: I det første steget formes små krystaller, eller kim, i det flytende materialet. Vi kaller dette steget for kimdanning.

I det andre steget vokser disse små krystallene. De vil kunne vokse så lenge temperaturen fortsetter å synke. Etter hvert vil disse krystallene møte hverandre, og møtepunktene mellom disse krystallene er hva vi kaller korngrenser. Det er spesielt disse møtepunktene som påvirker materialets kvalitet som solcellesilisium.

Det finnes mange typer korngrenser, og de påvirker effektiviteten til en solcelle på forskjellig måte. Det finnes også flere forskjellige fremgangsmåter for å forbedre materialkvaliteten. En av disse er å prøve å lage en bit solcellesilisium med store krystaller eller korn, slik at det blir minst mulig korngrenser.

Mikroskopbilde som viser kornstrukturen i en bit solcellesilisium. Korngrensene er hvor de forskjellige fargene møtes. Korngrensene har mye å si for kvaliteten på materialet. 

Hvor starter krystallene å vokse?
Tidligere forsking har antydet kimdanning i silisium starter på partikler som kommer i kontakt med det flytende silisiumet, men ingen har hittil visst hvilke partikler det er snakk om.

I forskningsprosjektet jeg har jobbet med, har vi funnet hovedsakelig to typer partikler i ferdig størknete ingoter. Begge har sin opprinnelse i pulveret som blir brukt til å dekke digelen for at ikke silisiumen skal sette seg fast til den.

Ved hjelp av termisk analyse og direkte observasjoner av størkningsprosessen, fant vi ut at kimdanningen hovedsakelig skjer på disse partiklene. Vi så også at de kan være kilder til en spesifikk type korngrenser. Disse korngrensene kan være gode eller dårlige, sett ut fra hvilken type ferdig produkt som ønskes.

Nytt belegg i digelen kan gi bedre kvalitet på materialet
Resultatene av forskningen antyder at det kan være mulig å endre antallet av slike korngrenser ved å for eksempel bytte materialet som brukes som belegg til et annet materiale. Da kan man tilpasse dette for å oppnå strukturen som gir høyest mulig kvalitet.

Her ser man en liten form med silisium etter størkning. Formen, også kalt digel, er laget av kvarts. Digler i liten skala ble brukt for direkte observasjon av størkningen. Disse diglene er ikke påført et silisiumnitrid-belegg ettersom veggene på diglene må være gjennomsiktelige for at vi skal kunne observere størkningen.

Formen med silisium settes inn i en ovn som varmes opp til 1500 grader. Her er ovnen sett fra toppen. Forsøkene som beskrives i dette blogginnlegget er småskalaforsøk gjort under mitt forskningsopphold ved Tohoku universitet i Sendai, Japan. Denne ovnen er mindre enn de som finnes ved Institutt for materialteknologi i Trondheim.

Dette blogginnlegget er skrevet av Espen Undheim. Han tok sin doktorgrad ved Institutt for materialteknologi ved NTNU i januar 2018, og har jobbet på prosjektet FME SOL.
Kontaktinfo: espenundheim@gmail.com, tlf: 988 00 918.

Er det mulig å brygge øl i kommersiell skala, basert på norske råvarer? Forskere og lokalbryggerier går sammen for å undersøke.

Ølbrygging er en del av norsk og midtnorsk kulturarv. Likevel importeres det meste av de vesentlige ingredienser til brygging av norsk øl, som gjær, humle og malt. Institutt for bioteknologi og matvitenskap leder et prosjekt med mål om å legge grunnlaget for å kunne ta i bruk trønderske gjærstammer i ølproduksjon.

Øl inneholder nærmere 1000 kjemiske komponenter som bidrar til ulike smaker og smakskombinasjoner. Mye skyldes ølgjæren. Men hvilke smaker bidrar ulike gjærstammer med? Anders Cooper fra Austmann Bryggeri tester øl brygget på gamle trønderske gjærstammer, og skal prøve å svare på nettopp dette. Foto: Per Henning / NTNU

Hovedprosjektet ble initiert av de lokale bryggeriene Austmann og Stjørdalsbryggeriet sammen med Institutt for bioteknologi og matvitenskap. Instituttet stiller med bred ekspertise innen blant annet mikrobiologi, karakterisering av mikroorganismer, ølfermentering og sensorisk analyse.

Tilgang til nye trønderske gjærstammer kan gi bryggeriene et større spillerom og konkurransefortrinn i kampen om å lage det unike ølet. Gjærstammene i seg selv kan også kommersialiseres som en egen vare som et alternativ til eksisterende kommersielle gjærstammer.

Prosjektet har tre hovedfaser:

1. Å isolere og lage renkulturer av gamle gjærkulturer fra Stjørdalsregionen.
2. Undersøke om villgjær isolert fra regional nypevin kan brukes som ølgjær.
3. Brygge øl på de mest lovende gjærstammene fra fase 1 og 2, og teste disse i et smakspanel (sensorisk analyse)

Kvalifiseringsprosjektet skal legge et grunnlag for at bryggerier skal få tilgang til nye trønderske gjærstammer. – Et økt gjærmangfold vil gi bryggeriene et større spillerom og konkurransefortrinn i kampen om å lage det unike ølet. Gjærstammene i seg selv kan også kommersialiseres som en egen vare som et alternativ til eksisterende kommersielle gjærstammer.

Ulrik Bjerkeli (t.h.), medstudent Roger Iversen (t.v.) og Nora Prestmo Johnsen har invitert bryggeriansvarlige fra ulike bryggerier i Trøndelag for å teste øl brygget på gamle gjærstammer. Her klargjøres smaksprøvene. Studentoppgaven er tilknyttet prosjektet: «Trøndersk ølgjær: isolering og karakterisering av trøndersk villgjær for bruk i ølbrygging», som er finansiert av RFF Midt.

Ingen ting går tilfeldig for seg på sensorikklaboratoriet til Institutt for bioteknologi og matvitenskap: Det skal være helt stille i det spesialtilpassede lokalet. Deltagerne smaker i flere omganger, hvor de første omgangene bare er for å forberede seg. Foto: Per Henning / NTNU

Studentene har brygget øl basert på ulike gjærestammer, nå testes resultatet. Kanskje ender vi om et år eller to opp med å få servert øl laget på gjærstammer studentene ved Institutt for bioteknologi og matvitenskap identifiserte? Foto: Per Henning / NTNU

Smaksprøving er ikke bare smaksprøving. Her jobber Wolfgang Lindells fra Dahls seg gjennom smakene. Foto: Per Henning / NTNU

Grønt eple, råtne egg, surmelk, jordkjeller, krydder og smør er blant smakene det letes etter i de ulike ølprøvene. Her er det Pål Rolfsen fra Monkeybrew som tester. Foto: Per Henning / NTNU

Ny prøverunde står klar til å sendes inn gjennom luken til de som skal smake seg fram gjennom de ulike ølvariantene. Foto: Per Henning / NTNU

– Så gjenstår det å se hva resultatet av prøvene sier.

På NTNU i Trondheim har de to studentprosjekter; Revolve og DNV Fuel Fighter. «Vi ønsker oss slike prosjekter på NTNU i Gjøvik også» sier Harald B. Jøsendal, prosjektleder for Rat Rod. Dette var starten på et nytt bil-prosjekt på Gjøvik.

Bærekraftig prosjekt
Prosjektet «Rat Rod» har som hovedmål å skape et godt arbeidsmiljø og tverrfaglige studentprosjekter. Oppgaven er en Volkswagen Transporter fra 1985, som skal restaureres og bygges om til miljøvennlig drivstoff. Det er en tidligere anleggsbil som skal bygges om fra å gå på forurensende diesel til biogass fra matavfall. Prosjektet har sterkt fokus på bærekraft og baseres på sirkulærøkonomi. En av «spillereglene» er at bilen maksimalt kan bestå av 30% nyproduserte deler og CO2 fotavtrykket skal holdes på et så lavt nivå som mulig. Ved studieretninger hvor det er mulig, kan prosjektarbeidet legges inn i enkelte emner og gi studiepoeng.

Tverrfaglig engasjement
Rat Rod-prosjektet til NTNU-studentene på Gjøvik er ‘historisk’. Ikke bare bygger de om en gammel anleggsbil til å gå på gass, men prosjektet er også et samarbeid på tvers av ulike linjer på NTNU i Gjøvik. Ansatte og studenter blir bedre kjent og nye former for samarbeid oppstår. Engasjementet er stort blant ansattgruppen som er dypt involvert i prosjektet. Det er også tydelig at studentene har god motivasjon for denne type prosjekter. Det jobbes på dagtid, og utover sene kveldstimer, for å få bilen ferdigstilt.

Foto: Stian Norum Herlofsen

Finansieringen til prosjektet har gått i gjennom viserektor på NTNU i Gjøvik for å fremme av tverrfaglighet og arbeidsmiljø. Denne økonomiske støtten har vært helt avgjørende.

Foto: Stian Norum Herlofsen

«Rat rod design»
Transporteren fra Eidsiva Energi skal bli en typisk «Rat Rod». Dette er en betegnelse i amcarmiljøet for en litt røffere og matt bruktstil. I motsetning til de blankpolerte «hot rods» med strøken lakk og krom. En «Rat Rod» passer godt til lokalmiljøet på Gjøvik og Toten. Det er lagt ned mye arbeid i design og visuelt uttrykk fra TDL-studentene. Vi skal vise at det er en «miljø-bil» og at bilen kjører på «grønt drivstoff». Samtidig skal vi vise at det er en bil fra NTNU og at den inneholder ny teknologi. Vi ønsker også å reflektere bærekraft i designet og gjenbruk av materialer. For eksempel skal gamle paller av tre gjenbrukes i karmlemmene på lasteplanet på bilen. Noe som også har en klar referanse til potetkasser, som er et kjent syn på Toten.

En av designskissene fra TDL studentene, laget av Martin Bolin Møller.

Biogass

Prosjektleder Harald B. Jøsendal

Biogass er et svært viktig supplement til fornybar energi innen transportsektoren. I Oppland fylke pågår det nå mye godt arbeid på «grønne drivstoff», som biogass, biodiesel, el-buss og hydrogenkjøretøyer. Opplandstrafikk og ASKO er allerede over på biodiesel på store deler av sin kjøretøypark, og det jobbes kontinuerlig med overgang til flere typer miljøvennlig drivstoff.

Foto: Harald B. Jøsendal

Ombygging
Første stopp var å få Transporteren til å gå på bensin. Videre har vi kjøpt et sett av deler som trengs for å bygge en bil som kan gå på biogass. Forskjellen mellom biogass og propan er at biogass er gass, mens propan er flytende ved lave trykk. Biogass krever høyt trykk og det er en utfordring å få tettet et slikt system. For å få montert inn en «ny» brukt motor; måtte det konstrueres og tegnes et adapter for innsugsspjeldet. Delen ble så produsert i en av NTNU i Gjøvik sine store 3D printere.

Foto: Harald B. Jøsendal
Foto: Kenneth Kalvåg Foto: Stian Norum Herlofsen

«Deadline» 1. mai.
Mange studenter fra ulike institutt på NTNU i Gjøvik jobber sammen for å få ferdigstilt bilen. De har byttet ut dieselmotoren med en bensinmotor. Deretter måtte vi bygge om hele det elektriske anlegget. Vi bruker det elektriske anlegget fra samme bil som vi plukket bensinmotor fra. Det kan høres enkelt ut, men det er det ikke. Bare for å plukke ut et komplett elektrisk anlegg fra en bil, demonteres nesten hele bilen. Det er heller ikke enkelt å koble det opp på nytt. Det ligger mye læring i dette, og teori hektes på gjennom praktisk læring.

Foto: Stian Norum Herlofsen

«Det er mange som ikke skjønner hva vi driver med, og sier at dette får vi ikke til. Da blir det enda morsommere å jobbe med prosjektet, sier studentene. – Da har vi noe å motbevise.»

En langsiktig målsetting med prosjektet er at det skal arrangeres en konkurranse mellom de 3 NTNU campusene om bygging av den mest bærekraftige bilen.

Denne bloggen er skrever av Synnøve Arntzen ved institutt for vareproduksjon og byggteknikk

Biologen, produktutvikleren og byggingeniøren møter hun som studerer ernæring og han som er opptatt av marin teknikk. Sammen utgjør de eksperter i team og gyver løs på havbruksrelaterte oppgaver.

Samarbeid på tvers av studier er utgangspunktet for faget Eksperter i Team (EiT). Målet er at studentene skal utvikle samarbeidskompetanse og dermed få med seg god erfaring ut i et arbeidsliv som preges av samarbeid mellom mennesker med ulik erfaring, bakgrunn, ferdigheter og kunnskap.

Havbruksnæringa trenger kompetanse fra mange ulike fagfelt og er derfor et godt utgangspunkt for tverrfaglig oppgaveløsning. Fem ekspertgrupper hadde sine prosjektarbeid rettet mot havbruksnæringa våren 2018.

Det er typisk norsk laks å være bærekraftig. Postsmolt i semi-lukkede anlegg. Lille Lars og det store blå – ei barnebok om oppdrettsnæringa. Slamtiden i våre hender. Gladlaksen vil den hoppe av glede for lukket anlegg? Dette er overskriftene på oppgavene dette halvåret. Det betyr at studentene har fordypet seg i aktuelle problemstillinger. Fordeler og ulemper med lukkede og halvlukkede anlegg? Hvordan bidra til økt mer sirkulær-økonomi gjennom gjenbruk av slam? Og hvordan bidra til økt bærekraft gjennom bruk av nye fôr-ressurser? Barnebokprosjektet tar mål av seg å fortelle om laksens liv og havbruksnæringas utfordringer gjennom ei bok rettet mot små barn.

Forslag til barnebok om havbruk

SpareBank1 SMN og BEWI har bidratt med støtte til både ekskursjon og bruk av en dedikert mentor som prosjektrådgiver for studentene. Flere av studentene hadde aldri vært ute på et anlegg før de ble Eksperter i Team. Ekskursjoner til anlegg og møte med ulike havbruksaktører, har gitt mersmak.

Studentene besøker BEWI

– Jeg valgte det av nysgjerrighet. Jeg følte vel at havbruksnæringa har kommet i skyggen av oljenæringa. Nå skjer det mye spennende sett fra en ingeniørs standpunkt. Det har vært artig å bli kjent med ei ny næring som jeg ikke kan så mye om, forteller Mats Sundklakk. Han har sett på fordeler og ulemper ved lukkede anlegg.
– Jeg håper næringa prøver å være innovativ og bruker teknologi som er tilgjengelig. Vi har hatt kontakt med næringsaktører – de viser interesse for det vi holder på med. De er interesserte, forteller han.

Åshild Therese Moen og Andreas Reberg har jobbet med muligheter for å få samlet opp slammet , ekskrementer og fôrrester , fra oppdrettsanlegg. Åshild studerer matteknologi, mens Andreas er maskiningeniør og tar master i produksjon og produktutvikling. Åshild ønsker å jobbe med kvalitet og mattrygghet – gjerne innen havbruksnæringa, mens Andreas ønsker å utvikle nye løsninger.

– Hvorfor slam?
– Med tanke på at næringa skal vokse og at det er så viktig for Norge at den kan vokse , ville vi ta tak i dette. Ved å få samlet opp slammet får vi utnyttet en ressurs, samtidig som vi reduserer forurensing til sjø. Det er særlig viktig i fjorder, forteller de to.
– Hva har dere funnet ut?
– Store mengder med viktige stoff går tapt i form av slam. Det er det mulig å gjøre noe med. Selv om bunnforholdene i Midt-Norge stort sett er veldig bra, bør slammet samles opp og foredles videre, understreker de.

Presentasjon av prosjektresultater

Ekskursjon til visningsanlegg på Hitra

Det er vel det som kjennetegner gode team?

Denne bloggen er skrevet av Kjersti Bruheim for NTNU Havrom

Elise Løve Nielsen var en av mine masterstudenter, og leverte sin masteroppgave i begynnelsen av 2017. Tittelen på oppgaven var Lavtemperatur-varmenett. Oppgaven var gjort i samarbeid med SINTEF Energi og Hanne Kauko. Oppgaven ble brukt som underlag til en artikkel i forskningstidsskriftet Energy med tittelen: Challenges and potentials for low-temperature district heating implementation in Norway. Det er ikke hver dag at en masteroppgave til en student ender som en artikkel i et vitenskapelig tidsskift!

(Blogginnlegget fortsetter etter illustrasjonen)

Slik ser artikkelen ut i tidsskriftet Energy. Via lenka under kommer du til nettsiden med hele artikkelen og nedlastbar pdf.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360544218305036?via%3Dihub

Allerede under prosjektoppgaven merket jeg at Elise var en meget engasjert student og ville levere mer enn det vanlige. Hun tok også sommerjobb hos SINTE Energi, og jobbet for det samme forskningsprosjektet hvor hun tok sin prosjekt- og masteroppgave.

Målet med oppgaven var å vurdere energisparingspotensialet i forhold til høytemperatur fjernvarme ved å benytte et lavtemperaturnett på et gitt område. Videre var målet å definere utfordringer og potensialer samt konkurransedyktighet ved bruk av lavtemperaturnett. Eksempel på fjernvarmenett er vist i Figur 2.

Figur 2. Analyserte fjernvarmenett med lav- og høyvarmetetthet.

Oppgaven bestod i å utvikle detaljerte modeller for trykk- og temperaturberegning i fjernvarmenett. Data fra virkelige lavenergi- og passivhusbygninger er brukt som input. Innspill om praktiste utfordringer og mulige feil i systemet var dirkete diskutert med Statkraft varme i Trondheim. Kombinasjon av teoretiske modeller og reelle datainput samt praktiske innspill har bidratt mye at kvaliteten på oppgaven ble bra.

Kan fjernvarme bli lønnsom?

Resultatene viser i hvilke områder fjernvarmesystem kan være konkurransedyktig – og hvilke tiltak kan gjøres for å unngå feil i systemet. I tillegg ble utfordringen med returtemperatur analysert. Lav returtemperatur er viktig for en riktig drift av fjernvarmesystemet, fordi det bidrar til bedre utnyttelse av fornybare energikilder, og til å gjøre dem mer effektive. Dessverre er i praksis, grunnet mange feil i systemet, returtemperaturen høyere enn ønskelig.

En av fagfellene som har evaluert artikkelen nevnte i sin kommentar at selve analysen er ganske inkluderende og omfatter spesielt den betydelige innflytelsen av oppvarmingstetthet på lønnsomheten til lavtemperatur-fjernvarmesystemer.

Figur 3. Trade-off mellom varmetap og pumpeenergi ved minskning av turtemperatur i fjernvarmenett

Studenten forteller om masteroppgaven

Elise Løve Nielsen

Elise studerte Energi og Miljø ved NTNU, og valgte retning Energiforsyning og energibruk i bygg. Her forteller hun selv om arbeidet med oppgaven:

«Kombinasjonen av egenstudier, analyse av reelle forbruksdata og utvikling av fiktivt varmenett i MATLAB gjorde oppgaven spennende og ga varierte arbeidsoppgaver slik at masterskrivingen min ikke ble ensformig.

I tillegg er temaet veldig spennende. Det nåværende fjernvarmenettet står foran store forandringer. Dette for å kunne møte framtidens lavere energi- og effektbehov i bygg. Det vil ikke lengre være behov for høytemperatur fjernvarme i lavenergibygg. Lavtemperatur fjernvarme er et virkemiddel for å nå målene om fleksibel og energieffektiv energiforsyning. Dette ved at det åpner opp muligheten for bedre utnyttelse av lavverdige energikilder som spillvarme og fornybar energi. I tillegg vil fjernvarme kunne skape samspill og energiflyt mellom bygg, ved at overskuddsvarme fra bygg kan sendes i retur til fjernvarmenettet.

At veileder har tro på arbeidet ditt, viste seg å være ekstremt viktig for meg gjennom hele masterprosessen. Natasa har skapt motivasjon og engasjement under arbeidet, og har bidratt med relevante kildehenvisninger. Vil rette en stor takk til henne.»

Etter levert masteroppgave startet Elise på VVS-avdelingen ved Multiconsults Bergens-kontor.

Denne bloggen er skrevet av førsteamanuensis og stjerneforsker Natasa Nord ved NTNU Institutt for energi- og prosessteknikk

Nedising av høyspentliner er et stort problem i Norge. En prototype lagd av studenter ved NTNU kan være løsningen på problemet.

I det praktiske faget TMM4121 – produktutvikling blir vi delt inn i grupper hvor oppgaven går helt fra ide og behov til å utvikle og produsere en fungerende prototype av produktet vi velger å jobbe med. Gruppene jobber med ulike produkter, men felles tema er at alle produkter er såkalte elektromekaniske systemer. Det innebærer at produktene består av egenutviklede mekaniske og elektroniske systemer som jobber sammen for å oppnå produktets funksjoner som er basert på brukernes behov.

Se presentasjonsvideo av prosjektet:

The Icepecker from IVFakultetet on Vimeo.

Da vi fikk oppgaven om å designe, utvikle og tilvirke et batteridrevent kjøretøy, var det mange forskjellige ideer som ble foreslått i gruppa, alt fra grillsykkel til snegleklipper-robot ble vurdert.
Siden vi ønsket å lage et produkt som løste et reelt og litt mer alvorlig problem, tok vi utgangspunkt i en idé om å lage noe som kunne fjerne is fra høyspentliner.

For stor is-last på liner kan føre til at de ryker, og vi skulle lage en maskin som kunne forhindre dette. For å få større problemforståelse tok vi kontakt med forskjellige eksperter som ga oss mer informasjon om høyspentliner og ising.

The Icepecker2 from IVFakultetet on Vimeo.

Hovedfokuset vårt lå på å finne en metode for å fjerne is, så dette ble en større del av prosjektet fremfor hvilken fremdriftsmetode maskinen skulle ha på lina. Vi lagde mange fysiske prototyper på verktøy som skulle testes for å finne den beste løsningen.

For å teste ulike verktøy, trengte vi is. Produksjon av store isblokker viste seg å være mer utfordrende enn vi hadde forutsett. Etter mye prøving og feiling, fant vi til slutt ut hvordan vi kunne lage is i store nok rør, og fikk tilgang til en fryselab.

Etter mange tester, valgte vi å gå for en løsning med en sammensetning av en konus og bor. Dette verktøyet borrer inn i isen, og vinkelen på konusen skal gjøre at isen sprekker opp.

Gruppebilde av studentene bak “The Icepecker”

Prosessen har vært lærerik og alle medlemmene har tilegnet seg kunnskap de har bruk for videre. Med tanke på budsjett og at prosjektet hadde en tidsbegrensning på femten uker, er vi fornøyde med resultatet selv om produktet ikke klarte å fjerne is slik vi ønsket under presentasjonen. Vi har også tanker rundt hvordan prototypen kan videreutvikles til et ferdig produkt.

Denne bloggen er skrevet av student Mathilde Høye

Et problem som kanskje ikke er så synlig i hverdagen men som kan by på mye frustrasjon er pantemaskiner som stopper når det passer minst!

Mer spesifikt er problemet haugdannelse i posen som samler opp panten, og pantemaskinen registrerer at den er full selv om den ikke er det. Problemet løses i dag ved at ansatte på dagligvarebutikkene rister posen for å jevne ut haugdannelsen.

I det praktiske faget TMM4121 – produktutvikling blir vi delt inn i grupper hvor oppgaven går helt fra ide og behov til å utvikle og produsere en fungerende prototype av produktet vi velger å jobbe med. Gruppene jobber med ulike produkter, men felles tema er at alle produkter er såkalte elektromekaniske systemer. Det innebærer at produktene består av egenutviklede mekaniske og elektroniske systemer som jobber sammen for å oppnå produktets funksjoner som er basert på brukernes behov.

Vi valgte å gå for problemstillingen med pantemaskiner da det gir oss muligheten til å være innovative og hjelpe ansatte på butikkene slik at de kan fokusere på viktigere arbeidsoppgaver.

Ansatte på dagligvarebutikkene bruker mye tid på å riste på posene i pantemaskinene

Etter dialog med Tomra var det klart at dette er et reelt problem som de har jobbet litt med, men ikke funnet en permanent løsning på. Vi fikk innsyn i hvordan Tomra har jobbet med problemet, og valgte å sette opp vår egen test-rigg, for å bestemme beste fordelingsmekanisme. Gjennom mye testing kom vi frem til en løsning som dytter posen flaskene ligger i oppover, for så å slippe den ned raskt, slik at vi får en “fritt-fall” effekt. Navnet ReLIFT er en kombinasjon av ordene recycle og lift. Det er dette konseptet vårt handler om, nemlig å løfte og slippe posen med panteflaskene slik at den blir komprimert og jevnt fordelt.

Løft oppnås ved å bruke sakseløft-prinsippet

Produktet vårt, ReLIFT, har som formål å fordele og komprimere panteflasker i oppsamlingsposen. Løft oppnås ved å bruke sakseløft-prinsippet der to stag som dyttes mot hverandre horisontalt fører til økning i høyde. En roterende skive med varierende radius fører til gradvis økning i høyde ved at den skyver på løftemekanismene. Etter hvert reduseres radiusen brått, og løftemekanismen vil senkes brått.

En motor sørger for at skiven roterer, men motoren skal ikke gå kontinuerlig. Tomra har åpnet for at pantemaskinens programvare kan knyttes opp mot vårt produkt, og på den måten kan pantemaskinen bestemme når ReLIFT skal jobbe.

Det ferdige produktet har en rekke ulike funksjoner som skal oppfylle kravene om funksjonalitet, produktets levetid og effektforbruk. For eksempel har vi eliminert friksjon fra alle bevegelige deler og gjort tiltak for å hindre at søl fra panteflasker trenger inn i maskineriet. Det er ønskelig at ReLIFT har samme levetid som pantemaskinen, og vi har derfor lagt opp til å bruke metaller fremfor plast.

Produktutvikling fra start til slutt har vært en lærerik prosess; vi har fått mulighet til å være kreative, utvikle og teste konsepter, lage 3D-modeller, gjøre beregninger og simuleringer på komponenter og produsere det endelige produktet på verksted. Vi har gått på mange smeller og funnet kreative løsninger på problemene som har dukket opp underveis. Vi har jobbet mye på tvers av undergruppene og prioritert god kommunikasjon, noe som ga en alt i alt knirkefri produktutviklingsprosess.

Gruppebilde av studentene bak “ReLIFT”

Denne bloggen er skrevet av student Håkon Dalbakken

Det er ikke bare det totale energiforbruket som betyr noe
Når vi diskuterer nye energisystemer for nullutslippsnabolag er forskjellen mellom energi og effekt ofte misforstått. Disse to begrepene er viktige å skille fordi de representerer ulike elementer av energisystemet, og de ulike elementene kan ha store konsekvenser for drift og investeringer i nullutslippsnabolag.

Energisystem må dimensjoneres med hensyn til både energi og effekt
Energi er et mål på mengde over tid, og måles ofte i kilowattimer (kWh). Effekt er et mål på energi per tid, og måles ofte i kilowatt (kW). Enhetene for energi og effekt kan raskt skape forvirring. For eksempel er 1 kWh mengden energi som brukes av en panelovn som står på i en time med en effekt på 1 kW. Dermed sier effekt noe om panelovnens egenskaper i bruk, mens energi sier noe om resultatet av bruken.

Effekt er energibruk i øyeblikket. Det er begrenset hvor stor effekt som kan leveres i et energisystem, og dette er i utgangspunktet uavhengig av energibruk over tid.

Som en parallell kan vi tenke oss en bøtte som fylles med vann. Når bøtten er full har vi levert en viss mengde vann, og dette tilsvarer energimengde og kWh. Hvordan selve fyllingen foregår tilsvarer effekt og kW. Det finnes begrensning på hvor raskt vi kan fylle bøtten. Her er det viktig å merke at denne begrensningen ikke synes ved å bare måle vannet i bøtten. På samme måte finnes det begrensninger i hvor stor effekt som kan leveres i et energisystem, og dette er i utgangspunktet uavhengig av energibruk i løpet av en måned.

Det finnes begrensninger i hvor stor effekt som kan leveres i et energisystem, akkurat som det fins begrensninger i hvor fort en bøtte kan fylles opp med vann gjennom kranen

Ulike fyllinger kan levere samme mengde vann i bøtten. Dette kan illustreres med et rom som bare trenger å holde en varm temperatur på dagtid. Det vil intuitivt virke energieffektivt å holde rommet varmt kun når det behøves, altså på dagtid. Men dersom rommet blir kaldt over natten vil det kreves mer effekt til oppvarming enn hvis rommet i utgangspunktet er varmt. Derfor er det effektbesparende å holde rommet varmt konstant sammenliknet med å bare holde rommet varmt på dagtid. Det kan også være energibesparende dersom andre deler i energisystemet kan driftes mer effektivt som følge av tiltaket. Energibesparelsen kan altså oppstå i andre deler av energisystemet enn i dette rommet, slik at resultatet blir energibesparelse totalt. Det kan virke overraskende siden det intuitivt høres ut som sløsing av energi.

I et nullutslippssamfunn er det stort behov for at man matcher tidspunktet av energiforbruket til energiproduksjonen. Dette kan være gjennom et styringssystem.

Behovet for fleksibel energibruk blir større på veien mot nullutslippssamfunnet som følge av nye enheter i energisystemet som produserer og bruker strøm i et annet tempo enn tidligere. I parallellen med bøtten betyr dette at det blir større variasjon i når og hvor raskt vi fyller bøtten. På produksjonssiden har vi blant annet en større andel av fornybare energikilder som leverer effekt avhengig av været, og på forbrukssiden har vi blant annet introduksjon av elbiler og induksjonstopper som kan kreve høy effekt i korte perioder. Løsninger som kan utjevne effekt blir derfor stadig mer verdifulle. Utfordringen blir å sørge for at verdien i disse lokale løsningene blir realisert selv når en vesentlig del av energi- og utslippsbesparelsen ligger utenfor enkeltbygg.

Vi bør strebe etter fleksibel energibruk i nullutslippsnabolag
Fleksibel energibruk vil være verdifull i et nullutslippsnabolag fordi det kan føre til mindre behov for nye investeringer i systemkomponenter. I tillegg vil energisystemet kunne driftes mer effektivt slik at unødvendige kostnader og utslipp kan unngås. I FME ZEN skal vi evaluere verdien av fleksibel energibruk, og dette arbeidet er påbegynt for en av pilotområdene i FME ZEN, Campus Evenstad, som driftes av Statsbygg.

Fakta om FME ZEN-senteret

Research Centre on Zero Emission Neighbourhoods (ZEN) in Smart Cities
FME ZEN er et forskningssenter for miljøvennlig energi (FME), etablert i 2017 av Norges Forskningsråd.
Målet vårt er å utvikle løsninger for fremtidens bygninger og områder med null utslipp av klimagasser. Ved dette vil vi bidra til at nullutslippssamfunnet kan realiseres.
Gjennom FME ZEN samarbeider kommuner, næringsliv, myndighetsorgan og forskere tett for å planlegge, utvikle og drifte områder uten klimagassutslipp. Senteret har ni pilotprosjekter fordelt over hele Norge som fungerer som innovasjonsarenaer.
NTNU er vertsorganisasjon og leder senteret sammen med SINTEF.

Stian Backe
Stipendiat på FME ZEN
Institutt for industriell økonomi og teknologiledelse, NTNU
stian.backe@ntnu.no

Hvordan finne nye og kreative måter å redusere mengden plast som slippes ut i havet — og redusere mengden plast som allerede er der? – Inviter engasjerte studenter, forskere, organisasjoner og næringsliv og gi dem en utfordring!

Da Bedriftskomiteen Volvox & Alkymisten og Naturviterstudentene arrangerte Havplast-workshop i slutten av september, gjorde vi nettopp dette.

Havplast-workshopen innehold mange interessante foredrag som ga oss både bredde og spesifisering i ulike felt: Fra internasjonal plastproblematikk, til ulike metoder for håndtering av plast her i nærområdet.

Engasjert diskusjon på Havplast-workshop

Programmet bestod blant annet av

• ”plast i Havet – et internasjonalt perspektiv”,
• ”havplast- veien videre”,
• ”plast som en miljøtrussel og næringsmulighet” og ”Tavaha”.

Tom-Ivar Bern fra Innovasjon Norge, Kristofer Gunnar Paso fra NTNU, Ingrid Søbstad fra Nordic Ocean Watch og Per-Erik Sørås fra Trøndelag Fylkeskommune var blant de som besøkte oss den dagen. Vi hadde også med oss Kaja Lønne Fjærtoft fra NTNU Ocean.

De vanskelige spørsmålene
Tom-Ivar Bern fra Innovasjon Norge mente blant annet at det burde legges enda mere fokus på de vanskelige spørsmålene.

– Problemet ligger ikke nødvendigvis i produktet, men hos forbrukerne. Plast er nå klassifisert som farlig avfall, men kanskje det heller burde være mennesker som klassifiseres, avhengig av om de har nok kunnskap til å kunne ta ansvar for et slik produkt? sa Bern.

Kreative løsninger
Gjennom workshopen ble gode ideer pønsket frem, og resulterte i mange spennende utviklingsmuligheter. Fire grupper med henholdsvis fire medlemmer deltok og jobbet seg gjennom dagen. Presentasjonene varte i 5 minutter og gruppene fikk kun ha med seg ett A3 ark.

Det var utrolig gøy å se hva gruppene hadde oppnådd på så kort tid! Kreativitet og innledning var viktige punkt vi i juryen fokuserte på, og det var få som fikk dårlig karakter der!

Mens noen grupper fokuserte på økt kunnskap og bedre resirkuleringsalternativer, valgte andre å ta tak i kilder til mikroplast, og forhindre forverring av problemet. De ideene som ble presentert var svært ulike, og tok tak i ulike problemstillinger, noe vi synes var flott! Gruppene fikk god veiledning og innspill fra fagfolk, og fikk et tydeligere bilde på hvordan de skulle gå frem og hva som var mest interessant å fokusere på.

Vinnerne! Gruppa som lanserte idéen om den interaktive appen Trashman Adventure Garbage Hero stakk av med seieren. Formålet er å samle så mye plast (og søppel forøvrig) som mulig, i bytte mot poeng i appen. Søppelet skal kunne leveres på gjenvinningsstasjoner. Her kan du registrere deg med å skanne QR-koden din for å få utlevert poengene. Disse poengene kan brukes til å kjøpe fordeler (kuponger, rabatter osv.) i en «online butikk» i appen. 

Veien videre
Etter gode tilbakemeldinger og innspill har vi nå skapt oss et bilde av hva som kan forbedres og hvordan neste workshop kan skapes. velkommen skal du være!

Vinnergruppa bak Trashman Adventure Garbage Hero planlegger nå rådgivningstime sammen med Danske Bank og andre aktører som kan være viktige i utviklingsfasen av appen.

Takk!
I tillegg til deltagerne var flere andre aktører var med på å støtte årets workshop. Tusen takk til Sushibar, Rosenborg bakeri, Trondheim camping, Danske Bank, Graffi, Røft og Egon.

Forfatteren:
Dette blogginnlegget er skrevet av Ellie Foster Johansen, hun er masterstudent ved Institutt for biologi ved NTNU og medlem av Naturviterne. E-postadresse: ellief@stud.ntnu.no

Trondheim, Norge, 20130919: SIMLab omvisning. Professor Magnus Langseth viste rundt representanter fra blant annet PST, Nasjonal sikkerhetsmyndighet og Statoil. Foto: Ole Morten Melgård

Norge trenger mer forskning rettet mot samfunnssikkerhet og objektsikring. Forskningsgruppa SIMLab på NTNU ønsker å starte et nytt senter som vil gjøre Norge tryggere.

Det er tunge grunner til at vi nå foreslår en nasjonal satsing på forskning rettet mot objektsikring:

• Det er behov for å sikre viktig infrastruktur mot sabotasje og terrorisme.

• Ekstremvær og ras kommer hyppigere og kraftigere og fører til større ødeleggelser.

• Transport, industri, olje og gassnæringen møter skjerpede krav til sikkerhet.

Bedre sikring av bygg, veier, bruer og andre installasjoner krever økt forskningsinnsats. Skal vi beskytte oss optimalt må vi vite hvilke følger en gitt handling eller ulykke kan få. I dag er risiko og sårbarhetsanalyser det viktigste verktøyet, både for å forhindre ulykker og begrense skadeomfanget når de først skjer.

Slike analyser er avhengige av kunnskap om hvordan materialer og konstruksjoner oppfører seg når de utsettes for ekstreme belastninger. Den kunnskapen har vi i SIMLab, Institutt for konstruksjonsteknikk ved NTNU.

Vi ser ingen grunn til å være beskjedne. Internasjonale eksperter på feltet har evaluert oss, og slått fast at ingen i verden vet mer om dette enn vårt miljø.

I tillegg til fysisk sikring, har vi transport, olje og gass som satsingsområder. I labene på Gløshaugen har vi en rekke testrigger. Vi bruker dem til å ødelegge materialer. Vi skyter på, krasjer og knekker. Vi strekker i plast og stuker aluminium. Glass og betong utsettes for eksplosjoner, og bygningsstrukturer utsettes for skader vi ser ved terror og naturkatastrofer.

Hensikten med all denne ødeleggelsen er å beskytte. Med resultatene fra testingen lager vi datamodeller som kan simulere virkeligheten med stor nøyaktighet. Når det bygges et nytt regjeringskvartal må vi vite at de viktigste delene er beskyttet mot de truslene som er definert.

SIMLab har fått støtte fra Norges forskningsråd til sitt andre Senter for Forskningsdrevet Innovasjon. Det heter Centre for Advanced Structural Analysis, eller litt mer praktisk: SFI CASA.

CASA har et lag med solide nasjonale og internasjonale samarbeidspartnere i ryggen: Forsvarsbygg, Nasjonal sikkerhetsmyndighet, Kommunal og moderniseringsdepartementet, Statens vegvesen, DNV GL, Multiconsult, Equinor, Hydro og Benteler, samt bilprodusentene Audi, BMW, Honda, Renault og Toyota. SINTEF er forskningspartner.

I neste års statsbudsjett foreslår regjeringen drøyt 500 millioner kroner ekstra til terrorsikring av skjermingsverdige objekter. Pengene fordeles mellom PST, Politiet, justissektoren og Forsvaret.

Over tid har vi hatt mange møter med industri, departementer og andre offentlige etater. Det har avtegnet seg et klart behov for undervisning og langsiktig forskning rettet mot fysisk sikring:

• Hvordan sikre et bygg med glassfasader, når man ikke vet hvordan fasaden oppfører seg ved en ulykkeslast?

• Hvordan sørge for optimal sikring av det nye regjeringskvartalet?

• Hva med nye oljeinstallasjoner, flytebruer og nedsenkbare tunneler?

I dag er undervisningstilbudet mangelfullt på disse områdene. I det nye senteret vil vi utdanne ingeniører som skal ta med seg denne kunnskapen ut i industrien, offentlige etater og privat næringsliv. Vi ønsker å samarbeide enda tettere med relevante ingeniørbedrifter, Forsvarsbygg og Nasjonalt Kompetansesenter for sikring av bygg. Mens de jobber med løsninger for fysisk sikring og beskyttelse, kan vi levere både verktøyene de trenger og ingeniører spesialisert til å ta verktøyene i bruk. I tillegg vil de være trenet til å tenke helhetlig rundt sikkerhet.

Etter terrorangrepene i 2011 har samfunnssikkerhet og objektsikring stått høyt på den politiske dagsorden. Det er enighet om at det trengs mer forskning:

• Sikkerhetsloven (20/3 1998 nr. 10) slår fast at Nasjonal sikkerhetsmyndighet skal «iverksette forskning på områder av betydning for forebyggende sikkerhetstjeneste».

• I «FOU-strategi for samfunnssikkerhet 2015-2019» sier Justis- og beredskapsdepartementet de har som mål å øke forskningsinnsatsen.

• I Justiskomiteens Innstilling 326 2016–2017 «Risiko i et trygt samfunn -Samfunnssikkerhet», bemerker Ap og Sp at et forskningssenter ved NTNU « … vil gi samfunnet betydelig bedre forståelse for hvordan konstruksjoner utsatt for ekstreme laster skal dimensjoneres når det gjelder sabotasje og terrorhandlinger, men også ved ulykker i industrien, ved transport av farlig gods, ved utvikling av ny infrastruktur (…) og kollisjon mellom kjøretøyer (…)».

Vi foreslår altså et tiårig forskningsprogram organisert som et senter. Planen er å bygge videre på det omfattende arbeidet som er gjort i SIMLab. Virksomheten vil utfylle aktiviteten som pågår i SFI CASA. Med en årlig ramme på 20 millioner kroner kan vi utdanne rundt 20 doktorgradskandidater, 150–200 masterkandidater og ansette fem postdoktorer.

Vi vil tilby etter- og videreutdanning og arbeide for å heve bestillerkompetansen i offentlige etater. Slik kan vi bidra til at det stilles riktige krav og grundige spørsmål til leverandører.

Summen av alt dette gjør oss trygge på at vi kan få til en effektiv og solid oppstart av et nytt senter for forskning på samfunnssikkerhet – allerede i 2020.

Fem NTNU studenter fra Institutt for Marin Teknikk og Institutt for Produktutvikling og produksjon var sommeren 2018 involvert i et studentprosjekt. Visjonen med prosjektet var å skape en unik læringsplattform ved å kombinere NTNUs forskningsfartøy Gunnerus og dens digitale representasjon til en digital tvilling.

Med et økende fokus og press på digitalisering i dagens shippingindustri er digitale tvillinger av skip ytterst relevante for å nyttiggjøre innsamlet data, og i kombinasjon med eksisterende modeller for å gi et tydelig bilde av systemet.

Disse 5 studentene var involvert i prosjektet. Fra venstre: Magnus Borgersen, Lars Oftedal Bjørum, Petter Rølvåg, Fredrik Alvsaker og Katarina Staalesen

Prosjektet var et samarbeid mellom Institutt for Marin Teknikk og Institutt for Produktutvikling og produksjon ved NTNU, DNV GL og Digitread. Resultatet av prosjektet var en detaljert 3D-modell av hele skipet, et verktøy for visning av de forskjellige systemene og komponentene, samt visualisering av sensordata fra Gunnerus.

Grafisk fremstilling av den digitale tvillingen.

Den digitale tvillingen består av forskjellige byggesteiner som er integrert med hverandre:

• En detaljert 3D-modell
• Sensordata og informasjon
• Fartøy-/komponentinformasjon og dokumentasjon

Figuren viser systemflyten for den digitale tvillingen.

Den svært detaljrike 3D-modellen av Gunnerus ble laget i Siemens NX, før den ble eksportert til en web-basert visningsplattform. Denne visningsplatformen representerer den visuelle delen av den digitale tvillingen og det er gjennom denne plattformen brukere kan interagere med modellen. Brukere kan velge forskjellige komponenter eller sensorer og få detaljert informasjon om denne delen.

Slik ser skipet ut i den web-baserte “Digital Twin Viewer”.

Detaljert bilde av valgt sensor og informasjon om korresponderende komponent.

Den visualiserte modellen ble koblet til informasjon om de forskjellige sensorene om bord på skipet, samt til visualisert historisk data fra disse sensorene. Modellen er også koblet til fartøyets produktmodell (PMOD) som gir informasjon om alle de forskjellige komponentene om bord. Alt dette er gjort på DNV GLs trygge plattform Veracity.

Dashbord for Gunnerus basert på sensordata

Digitale tvillinger er en god måte å visualisere skip og komponentene ombord på. I tillegg er idéen for et verktøy som dette å utføre simuleringer på modellen basert på data som kommer fra skipet. Dette kan bli brukt til tilstandsovervåking for forskjellige system og komponenter ombord. Etter hvert vil digitale tvillinger bli et redskap for livssyklusanalyse av hele skip.

Grafisk fremstilling som viser plasseringen av forskjellige sensorer

Prosjektet viste seg å være utfordrende, men også veldig givende, og det var en verdifull læringsplatform for oss sommerstudenter. Å lage en digital tvilling viste seg å være et allsidig og innholdsrikt prosjekt. Vi fikk jobbe med alt fra 3D-modellering, sensornavngiving og sensoroversikt, til datafiltrering, visualisering og analysering. Det ga oss god innsikt i det brede spekteret av roller og oppgaver som ingeniører utfører i slike prosjekt. Denne høsten fortsetter vi å jobbe med utvikling og identifisering av forskjellige bruksområder for den digitale tvillingen av Gunnerus. Følg med på utviklingen i prosjektet her på NTNU TechZone.

All the authors of this post are students at NTNU:

Johan Fredrik Alvsaker: johanfal@stud.ntnu.no
Magnus Borgersen: magnubor@stud.ntnu.no
Lars Rasmus Oftedal Bjørum: lrbjorum@stud.ntnu.no
Petter Selfors Rølvåg: pettersr@stud.ntnu.no
Katarina Staalesen: katarins@stud.ntnu.no

Prosessene på et smelteverk fører til at det dannes potensielt skadelig støv flere steder, og støvet må derfor overvåkes nøye. Dagens støvovervåkingsutstyr på norske smelteverk er derimot både dyre og unhåndterlige. Ny teknologi gjør at nye, lettere støvsensorsystemer kan settes sammen med enkle microchips for en brøkdel av prisen. 

Et sett på sju sensorer ble testet sammen med to forskjellige sensorer som nå er i bruk på Eramet Kvinesdal, og resultatene er oppløftende. Bruk av mange små og rimelige sensorer vil gi mulighet for bedre kartlegging av støv over store områder, og kan enklere dekke behovet for konstante målinger på flere lokasjoner.

Fra målingene gjort hos Eramet Kvinesdal. Resultatene fra testene er gode nyheter for støvovervåking i smelteverk.

Dyre og tunge støvmålere
Dagens støvmålere brukt for måling av støvmengder ligger på rundt 100-500.000 kroner, og ofte blir de delt mellom flere verk for periodiske målekampanjer. Disse målerne er også i mange tilfeller ganske store og tunge, hvilket kan gjøre målinger der man ikke kan komme til med en tralle ganske upraktisk.

Dette gjør det urealistisk å kunne ha konstante målinger i mange områder, da prisen for store mengder støvdata blir enorm.

Prosessene på et smelteverk fører til støvdannelse flere steder, og konsentrasjonene varierer mye i løpet av dagen. I mange områder bør beskyttelsesutstyr brukes, men det kan være vanskelig å konsekvent vite om det er en skadelig mengde støv i luften i de mange sonene på et smelteverk. Illustrasjonsofoto: Geir Mogen / NTNU.

Ny teknologi
Ny teknologi, både innenfor støvmåling og microchiper, gjør at man nå kan sette sammen målere som er både mye mindre og billiger enn før. Det gjør det mulig å spre titalls målere rundt om i en smeltehall ikke lenger er utenkelig.

Som en del av et forskningsprosjektet i  Senter for Forskningsbasert Innovasjon (SFI) Metal production har et system blitt satt sammen som utnytter de nye mulighetene teknologien gir. Systemet blir nå testet for å se om de holder en god nok standard i forhold til dagens alternativer.

Hvert system er satt sammen av de nødvendige sensorene koblet til en chip, og til sammen er det ikke er større enn en liter i volum. De driver på vanlig 5V 1A strøm, og kan derfor kobles til helt vanlig mobillader eller eksternt batteri. De kan måle kontinuerlig eller periodisk, og sender data automatisk til en mottaker på samme trådløse nettverk som de er koblet til selv.

Tester utført på Eramet Kvinesdal
Et sett på 7 slike sensorer ble testet på Eramet Kvinesdal opp mot to forskjellige typer støvsensorer som industrien bruker, AQmesh og FIDAS.

Over en periode på mer enn 10 timer viste de nye målerne å gi målinger som stemte veldig godt overens med de vesentlig dyrere målerne.

Dette var en veldig god start som ga sterk motivasjon for at prosjektet skal fortsette og utvides med verifikasjon av sensorene i ulike type omgivelser.

Flere målere gi tryggere data
Fordelene ved å kunne ha mange målere satt sammen i «clusters» gir også tryggere data enn enkeltmålinger, med mulighet for inkludering av statistikk som 95% konfidensintervall og standardavvik, samt at man ikke mister all data selv om en enkeltmåler slutter å fungere.

Dette kan bidra til en mye bedre kartlegging av støvmengder i smelteverk, noe som også kan gi grunnlag for testing av nye metoder for redusering og håndtering av støv.

Veien videre
Ettersom de første testene ga veldig positive resultater, planlegges det å utvide denne delen av prosjektet. Den umiddelbare planen fremover er å øke til ca 20 sensorer med forbedret innpakning for sensorene. I tillegg vil ekstern pc koblet til samme trådløse nett, byttes ut med en selvstendig minicomputer koblet til et trådløst modem. Det gjør at data kan sendes direkte til en online server fra en enkel liten boks som bare må settes i nærheten av målerne.

Det nye oppsettet vil bli tatt med på flere testkampanjer i forskjellige smelteverk, med fokus på manganlegeringsindustrien- og aluminiumsindustrien i første omgang.

Håkon Hartvedt Olsen er doktorgradskandidat ved Institutt for materialteknologi og SFI Metal Production

De koster stadig mindre, og tar oss lenger og lenger. Veien videre henger sammen med råvareprisene og batteriforskningens evne til å finne alternative materialer til elbilbatteriene.

Prisen på batterier har sunket enormt de siste årene. De har gått fra å koste så mye at det nesten har vært utenkelig å bygge elbiler med lang rekkevidde, til at vi nå har elbiler med 50 mils rekkevidde.
Råvarene til elbilbatteriene er et av de kritiske punktene for den videre utviklingen av både pris og rekkevidde.

Henning Kaland og Jacob Hadler-Jacobsen tar sine doktorgrader ved Institutt for materialteknologi. De forsker på alternative batterimaterialer. Foto: Per Henning / NTNU

Prisene på vei nedover

Skulle man i 2012 hatt en elbil med 50 mils rekkevidde, ville batteriet alene kostet rundt 420 000 kroner. I dag koster et tilsvarende batteri ned mot 90 000 kroner, og Tesla har nylig annonsert at produksjonskostnaden deres vil muliggjøre en batteripris på 75 000 kroner innen neste år.

Videre har det blitt estimert at prisene kan gå ned mot 35 000 kr i 2025. Hvor dette vil ende, er det ikke godt å si. Prisene på batterier vil nok fortsette å gå ned, men hvor langt avhenger av grunnstoffpriser og hvilke batteriteknologier man utvikler fremover.

Sjeldne og dyre grunnstoffer

Dagens mest brukte elbilbatteri, benytter seg av nokså sjeldne grunnstoffer som litium, kobolt og nikkel. Disse grunnstoffene er dyre. Det finnes relativt lite av dem, og kun i visse deler av verden.

Noen frykter derfor at man nærmest vil gå tom for disse litt sjeldne grunnstoffene, og at dette etterhvert stoppe prisnedgangen på batterier – og kunne føre til økte priser.

Hvis man tar utgangspunkt i en energieffektiv elbil med “NMC”-Li-ionbatteri, så vil et “50 mil rekkevidde”-batteri trenge ca 16 kg kobolt (5800 kroner, gitt dagens råvarepriser), 48 kg nikkel (4500 kroner), og 11 kg litium (6500 kroner).

Deretter må disse grunnstoffene bearbeides til funksjonelle batterimaterialer.  I tillegg trengs også vanligere metaller som kobber, aluminium og stål, samt plast og organiske væsker. Disse råvarekostnadene vil etterhvert begrense den videre prisnedgangen.

Salter av nikkel (grønt), kobolt (fiolett) og litium (hvitt). De tre grunnstoffene finner en ofte i de mest energirike elbilbatteriene.

Et annet viktig perspektiv er hvordan utvinningen av råvarene gjøres. Det har blitt rapportert om menneskerettighetsbrudd, barnearbeid og korrupsjon i forbindelse med utvinningen av kobolt i Kongo. I et fornybart og bærekraftig samfunn er det en forutsetning at utvinningen av råmaterialer foregår på en etisk og miljømessig forsvarlig måte.

Alternative batteriteknologier

En utfordring med å forutse prisene i fremtiden er at det finnes mange forskjellige typer batterier, og at man ikke vet hvilket som vil dominere i fremtiden. Flere alternative batteriteknologier benytter seg kun av rimelige og lett tilgjengelige grunnstoff.

En ofte nevnt kandidat som fremtidens batteri er litium-svovelbatterier. Her unngår man å benytte seg av dyre metaller som nikkel og kobolt, og heller bruker svovel som er et veldig billig grunnstoff og som det er rikelig av.

Det forskes også på batterier hvor en bytter ut litiumet med natrium eller magnesium. Dette er billige grunnstoffer som begge kan utvinnes fra vanlig sjøvann, i motsetning til litium som potensielt kan bli en mangelvare i fremtiden, selv om det finnes nok av det i dag.

Magnesium (metall) og svovel (gult), to vanlige grunnstoffer som det forskes på om kanskje kan brukes i fremtidens batteri. Magnesium kan utvinnes fra sjøvann, og dette ble tidligere gjort av Hydro ved Herøya.

Best så langt

Selv om det finnes mange spennende batterikjemier for fremtiden, så er det utvilsomt litium-ionbatteriene som fungerer best per i dag. 6-7000 kroner for litium til et batteri kan kanskje høres mye ut, men det er fortsatt såpass lite sammenlignet med totalkostnaden for dagens batteri (90 000 kroner), at det er verdt det når man ser på alle de gode egenskapene litiumet tilfører batteriene. Dette gjelder spesielt elbilbatterier, hvor behovet er mye energi, liten vekt, at de tar liten plass, kan lades fort, er trygge og relativt rimelige.

En liten mengde kobolt vil man nok fortsette å ha i elbilbatteriene den nærmeste fremtiden, da den trengs for å gjøre de mest energirike batteriene stabile og trygge. Men forskning på batteriteknologi kan gjøre at dette brått kan endre seg, og at vi har andre batterityper om noen år.

—————————————————————————————–

Blogginnlegget ble oppdatert 31. januar.
Innlegget er også publisert på sidene til NTNUs forskningsmagasin Gemini.no

Om forfatterne av blogginnlegget

Henning Kaland og Jacob Hadler-Jacobsen er doktorgradskandidater ved Institutt for materialteknologi.
Henning Kaland jobber med å utvikle nye og billige katodematerialer for magnesium-svovel batterier, mens Jacob Hadler-Jacobsen jobber med atomistisk modellering av magnesium-ionbatteri.

Om bildet av en elbil på forsiden:

This image was originally posted to Flickr by Ludovic Hirlimann at https://www.flickr.com/photos/37007874@N00/6511042715. It was reviewed on 11 December 2012 by FlickreviewR and was confirmed to be licensed under the terms of the cc-by-sa-2.0.

Dette semesteret skal jeg som masteroppgave gjennomføre et spennende feltarbeid på Svalbard og ta snøprøver. Ja, du leste riktig – snø. Og ikke bare litt. Det skal tas 150 prøver av snø som skal prepareres før kjemisk analyse. Men hvorfor?

Atmosfærisk transport av kvikksølv

I de siste årene er det funnet økte mengder kvikksølv i isbjørn, seler og fisk i arktiske strøk. Det viser seg at kvikksølv som blir sluppet ut ved blant annet gruvedrift, oljeproduksjon og vulkansk aktivitet finner sin vei til Arktiske områder, der det blir avsatt på snøen gjennom forskjellige kjemiske prosesser. Dette kvikksølvet er derfor tilgjengelig for videre reaksjoner, og ender som regel opp i næringskjeden. Det er en viss usikkerhet i hvordan kvikksølvet i atmosfæren blir fanget i snøen, og det er det jeg skal se nærmere på.

Ut på tur – aldri pH < 7

Feltarbeidet er satt til starten av mars, og det er planer om å ta prøver både nære Longyearbyen og Ny-Ålesund. Jeg har aldri vært på Svalbard, men har hørt at Svalbard i mars skal være helt magisk, så jeg gleder meg enormt. Det er en del forberedelser som skal til for å gjennomføre et slikt prosjekt, blant annet risikovurderinger, diverse søknader og forskningsstøtte må være i boks.

Mamma hjelper meg virkelig med risikoreduserende tiltak til feltarbeidet, da hun har strikka både genser og votter til meg. Alt i ull, såklart.

Miljømaster med mening

Jeg er veldig spent på dette prosjektet, da jeg får undersøke og beskrive hvordan menneskelig aktivitet og utslipp påvirker verden rundt oss. Det å gjennomføre et masterprosjekt med miljøperspektiv er veldig givende, når slik forskning er nødvendig for å utvikle internasjonal miljølovgivning for bærekraftig utvikling.

 
Dette blogginnlegget er skrevet av Torstein Bye,
masterstudent ved Institutt for kjemi

-Jeg er helt sikker på at det eksperimentelle arbeidet står på egne ben og vil være verdifullt for andre. Og begge materialmodellene jeg har jobbet med har et stort potensial for bruk i industrien. Her er Holmstrøm under innspurten med veileder professor Arild Holm Clausen. (Foto: Sølvi Waterloo Normannsen)

Petter Holmstrøms ferske doktorgradsarbeid bringer ny kunnskap til bilindustrien og alle andre som støper fiberarmert plast utsatt for store påkjenninger.

De korte glassfibrene som brukes i forsterket termoplast er som ørsmå pinner. De er 0,1 til 1 mm lange og 15 milliondels meter tykke. Jo bedre kontroll du har på dem når du støper plasten, desto sterkere komponenter kan du lage.

Mye av Holmstrøms arbeid handler om å øke forståelsen av den mekaniske oppførselen til materialet, altså evnen det har til å tåle belastning.

-Dette må vi ha kontroll på når materialet brukes i lastbærende komponenter, understreker stipendiaten.

I tillegg handler avhandlingen om hvordan man kan representere materialet i numeriske simuleringer.

Først ute på fiber-forsterket plast

Komponenter i fiberforsterket plast kan typisk sitte i støtfangeren på en bil, i vindmølleblader eller sportsutstyr. Styrken til plastmaterialet kan forbedres ved å tilsette glassfiber. For å kunne beregne hva de tåler av strekk, trykk, støt og krasj må man vite hvordan materialene ser ut på innsiden.

Petter Holmstrøm er den første og så langt den eneste stipendiaten ved SIMLab som har gitt seg i kast med å evaluere materialmodeller for fiber-forsterket termoplast.  Avhandlingen «An experimental and numerical study of the mechanical behaviour of short glass-fibre reinforced thermoplastics» er på nærmere 400 sider. 

Gjør biler lettere uten at de mister styrken

Bruken av termoplast forsterket med korte fibre i lastbærende komponenter er forholdsvis ny. Det brukes til å erstatte metaller, for å gjøre biler eller andre konstruksjoner lettere, samtidig som at styrken er ivaretatt.  Støpte polymerer har også den fordelen at én komponent kan erstatte en del av konstruksjonen som tidligere bestod av et antall deler skrudd fast i hverandre. For industrien, ikke minst bilindustrien, gjelder det å krympe vekt, tidsbruk og pris i tillegg til å øke fleksibiliteten når man designer.

Holmstrøm har evaluert to materialmodeller for glassfiber-forsterket plast. Etter nesten fire år med doktorgradsarbeid, mener han å ha levert en avhandling med en solid helhet. (Foto: Sølvi Waterloo Normannsen)

Ulik styrke i ulike retninger

Når fibre støpes inn i plasten, blir den stivere, sterkere og mer sprø. Den injiseres som en oppvarmet væske, og kan fylles i en hver tenkelig form. Dermed er polymerer egnet til forming av geometrisk kompliserte deler. Så langt har ikke industrien vært særlig opptatt av anisotropi i plasten, som betyr at materialet har ulike egenskaper i ulike retninger.

Men Holmstrøm har gjort strekktester som viser at plasten kan være dobbelt så stiv og dobbelt så sterk i lengderetningen, som når den strekkes i bredden.

-Når vi vet at det er en faktor 2 i forhold til hvilken retning vi strekker, så bør industrien ta det med i betraktning, mener stipendiaten.

Det som ikke kan simuleres kan ikke brukes

-Når en plastdel er designet for å ta last i samspill med andre deler, må du kunne simulere oppførselen under belastning, forklarer han.

-Kan du ikke simulere, kan du ikke bruke materialet – med mindre vi snakker om et kjøkkenredskap, slår Holmstrøm fast.

Som tømmerstokker i en elv

Når flytende plast injiseres og flyter gjennom støpeformen, bestemmes orienteringen til hver enkelt fiber av strømningsbetingelsene, eller retningene på den flytende plastmassen.

Se for deg tømmerstokker som flyter ned en strømmende elv. Hastigheten, styrken i strømmen og retningen til vannet avgjøres av dybde, steiner eller andre hindringer. Der hindringene ligger tett og blir for store, kan stokkene vase seg sammen.

I en enkel 3 millimeter tykk og flat plate, er det lite hindringer og fibrene vil fordele seg noenlunde jevnt. Til tross for den enkle geometrien får materialet en tydelig lagdeling, noe som også forklarer den anisotropiske oppførselen.

I en komponent med komplisert geometri, som for eksempel en støtfanger, er det krinkler og kroker som hindrer støpe-strømmen. Det kaotiske strømningsmønsteret gjør at fibrene, akkurat som tømmerstokken, kan klumpe seg sammen i en ball eller konsentrere seg i ett område.

Matematisk modell beregner oppførsel

Prøvestykkene Petter Holmstrøm har brukt er i fiberarmert polypropylen og polyamid.

De korte glassfibrene er 15-20 ganger stivere enn polymeren de støpes inn i.  Holmstrøm er den første stipendiaten i SIMLab som har gjort omfattende bruk av røntgen-mikroskopi for å se innsiden av materialet.

Røntgenbildene viser myriader av ørsmå, tynne pinner fordelt i tilsynelatende fullt kaos på langs, kryss og tvers. I dette kaoset har han laget statistikk på hvordan fibrene fordeler seg, retningen de ligger i og vinklene de ligger i forhold til hverandre. Dette er viktig kunnskap, fordi materialets evne til å tåle påkjenninger, avgjøres av hvordan fibrene ligger i den støpte komponenten.

X-CT-bilde (X-ray computed tomography) av polypropylen med 30 vektprosent glassfiber. Fargene korresponderer med fibrenes vinkler projisert til plateplanet. MFD = Mould Flow Direction (retningen på støpestrømmen).

Ødelegge for å beskytte

Holmstrøm har fulgt den sedvanlige SIMLab-oppskriften. Den går, enkelt sagt, ut på å ødelegge for å beskytte. Forskjellige typer prøvestykker er strukket i ulike retninger og resultatene er grundig dokumentert.

-Lasten er påført kvasi-statisk og monotonisk.  Det vil si at man drar sakte én vei til prøvestykket ryker.

Resultatene fra eksperimentene brukes til å lage en materialmodell som beskriver oppførselen. Deretter brukes modellen i simuleringer for å se om det er samsvar med fysiske forsøk.

Unngå svake soner

For industrien er det en kjempeutfordring at samtidig som fibrenes orientering avhenger av støpeprosessen, avhenger de mekaniske egenskapene av fibrenes orientering. For å få en effektiv designprosess burde man først gjøre en simulering av støpeprosessen, for så å overføre informasjon om fibrenes orientering til styrkesimuleringer.

-Dette er fullt mulig å gjøre i dag, men slike metoder er foreløpig bare i liten grad tatt i bruk av industrien, ifølge stipendiaten.

Dermed blir det vanskelig å vite i forkant hvor man har en ugunstig fordeling av fibrene i et produkt.

-Det er helheten som betyr noe. Den svakeste sonen gir etter. Når du designer noe handler det om ikke å ha svake soner, gitt belastningen materialet blir utsatt for, sier han.

Bilindustrien har bruk for egenskapene

Petter Holmstrøms prøvestykker er laget av glassfiberarmert polypropylen og polyamid. (Foto: Sølvi Waterloo Normannsen)

For bilindustrien er det også viktig å utnytte at fiberarmerte polymerer er mindre stive og har lavere styrke enn for eksempel stål. Metaller gir ikke etter på samme måte ved et sammenstøt. Ved en påkjørsel vil energien fra sammenstøtet tas opp i og deformere støtfangeren i stedet for kroppen til fotgjengeren.

Jo mer kreftene kan spres, jo mindre skade på den som utsettes for ulykken. Dette taler til fordel for plastmaterialer. Alt dette kan simuleres i dataprogrammer, så lenge en har gode modeller for hvordan man kan representere det fiberarmerte materialet.

Dette sparer industrien for tid og store penger.