Vynálezcovia roku 2013

Výdavky na výskum a vývoj dosiahli v celom fiškálnom roku 2013 4,3 mld. eur, čo je o 50 mil. eur viac ako rok predtým. Táto suma predstavuje 5,7 % zo zisku spoločnosti (v r. 2012 to bolo 5,5 %). „Napriek veľmi náročnému prostrediu sme ešte viac investovali do výskumu a vývoja,“ hovorí s nadšením Klaus Helmrich. „Je to jasný dôkaz nášho záväzku voči výskumu a vývoju.“ Spoločnosť celosvetovo zamestnáva v oblasti výskumu a vývoja okolo 29 800 pracovníkov, z ktorých tretina pracuje v Nemecku. Siemens sa koncentruje na inovatívne a technologicky zaujímavé trhy. „To, v ktorých oblastiach prinášame patenty, do značnej miery závisí od dôležitosti trhu a znamená to pre nás dôležitý konkurenčný prvok v medzinárodnom meradle,“ uviedol Beat Weibel, riaditeľ Oddelenia duševného vlastníctva spoločnosti Siemens.

Siemens už od roku 1995 každoročne udeľuje ceny Vynálezca roku tým výskumníkom a vývojárom, ktorých inovácie znamenajú dôležitý prínos pre spoločnosti. Ocenenými výskumníkmi a vývojármi za rok 2013 sú:

  • Anton Reichlin za vývoj novej sieťovej technológie s názvom Sinet a nový napájací systém Sigrid,
  • Stephan Bieber za skrátenie času vytvárania obrazov z magnetickej rezonancie a zvýšenie kvality obrázkov,
  • Dr. Ralf Bode za vývoj materiálu, ktorý v plynovom kompresore oddeľuje medené vinutie motora od zmesi plynov,
  • Dr. Alexander Fleischanderl za vývoj procesu, ktorý redukuje škodlivé emisie z procesu spekania viac ako o 90 %,
  • Dr. René Graf za vývoj programu, ktorý funguje ako strážca a v rámci viacjadrových počítačov rozdeľuje vykonávanie podprogramov na jednotlivé jadrá, čím sa dosahuje vyšší výkon a menšia spotreba energie,
  • Matthias Kereit za vývoj programu na ochranu zariadení, ktoré monitorujú vysokonapäťové prenosové linky,
  • Dr. Stefan Lampenscherf za vývoj niekoľkých metód merania a modelov, ktoré umožňujú presne predpovedať odolnosť tepelnej ochrany lopatiek turbín,
  • Robert Nelson za vývoj programu určeného na podporu frekvencie malých izolovaných rozvodných sietí, ktoré sú v prípade krízového stavu napájané dodávkou energie z veterných turbín,
  • Dr. Michael Ott za vývoj metódy opravy lopatiek plynových turbín pomocou laserovej technológie,
  • Dr. Elena Reggio za vývoj programu, vďaka ktorému možno optimalizovať plánovanie výroby,
  • Dr. Alexander Hans Vija za vývoj softvéru, vďaka ktorému sa podarilo znížiť ožarovaciu dávku v rámci SPECT analýzy (metabolické procesy) a trvanie celého vyšetrenia o 25 %,
  • Chris Zimmerle za vývoj infračerveného ID pásika na určovanie výsledkov vyšetrenia moču pacientov, ktorý je odolný zničeniu vlhkosťou a predchádza tak určeniu chybných výsledkov vyšetrenia.

V nasledujúcej časti prinášame podrobnejších popis prác dvoch ocenených vynálezcov – Dr. Stefana Lampenscherfa a Dr. Michaela Otta.

Tepelná ochrana lopatiek turbíny

Plynová turbína je príkladom výnimočnosti inžinieringu spoločnosti Siemens. Aby bolo možné zostrojiť turbínu, ktorá bude pracovať s najvyššou možnou účinnosťou a zároveň bude zachovaná aj jej konkurencieschopnosť z hľadiska ceny, musia výskumníci a vývojári vziať do úvahy množstvo faktorov. Jedným z dôležitých bodov je povrchová vrstva lopatiek turbíny. Keď je turbína v činnosti, sú jej lopatky vystavené extrémne vysokým teplotám, enormným odstredivým silám pre rotačný pohyb a veľmi veľkým rýchlostiam prietoku plynu. Lopatky turbíny sú odlievané z kovového materiálu. Aby zostal materiál nepoškodený aj v čase, keď teplota spaľovania dosahuje jeho bod tavenia, chránia sa lopatky keramickou povrchovou vrstvou. Vynálezca Dr. Stefan Lampenscherf vytvoril niekoľko metód merania a modelov, ktoré technikom umožňujú urobiť presné odhady odolnosti týchto keramických povrchových úprav.

S. Lampenscherf pracuje od roku 2000 v spoločnosti Siemens Corporate Technology (CT) v oblasti materiálových technológií vo Výskumnom a technologickom centre v Mníchove. Ako fyzik sa dlhodobo zaujíma o materiálovú vedu, a to už od čias prípravy doktorandskej kandidátskej práce na Technickej univerzite v Drážďanoch. Ďalšie skúsenosti v tejto oblasti získal na Kalifornskej univerzite v Santa Barbare ako štipendista výmenného študijného pobytu Nadácie Alexandra von Humboldta.
Viac ako desaťročné pôsobenie S. Lampenscherfa v spoločnosti Siemens CT sa, okrem práce na iných výskumných projektoch, primárne sústredilo na riešenie otázky, ako predpovedať vlastnosti  a životnosť ochrannej keramickej povrchovej úpravy. Tieto informácie sú potrebné pri návrhu jednotlivých prvkov na určenie intervalov údržby plynovej turbíny.

„Strávili sme viac ako 10 000 hodín testovaním novo vyvinutej povrchovej úpravy lopatiek turbíny, čo bolo okrem iného neskutočne nákladné,“ vysvetľuje S. Lampenscherf. Spolu so svojimi kolegami však vyvinul niekoľko metód využívajúcich laboratórne testovanie ako základ pri tvorbe odhadov toho, ako sa budú nové materiály správať pri reálnych prevádzkových podmienkach vnútri turbíny. Tieto testy vyžadujú špeciálne vzorky, ktoré sa musia pripraviť podľa špecifikácie výskumníkov z oddelenia CT. Následne sa vykonajú špeciálne pripravené mechanické a teplotné testovacie procedúry. Namerané hodnoty a informácie o vlastnostiach materiálu, ktoré sa takto získajú, sa následne použijú na simuláciu toho, ako sa budú povrchové úpravy s funkciou tepelnej izolácie správať pri reálnych podmienkach vnútri plynovej turbíny. Vykonaním týchto krokov získajú výskumníci poznatky o prevádzkových podmienkach, ktoré by mohli byť príčinou vzniku trhlín v povrchovej ochrane. Tá by sa mohla následne z lopatky úplne uvoľniť. V reálnej prevádzke sa musí takejto situácii v každom prípade predchádzať, inak by mohli byť lopatky turbíny výrazne poškodené horúcim plynom. Následne by bolo potrebné vykonať drahé opravy, či dokonca vymeniť celú plynovú turbínu. „Počas tisícok hodín prevádzky turbíny sa praskaniu nedá predísť,“ uvádza S. Lampenscherf. „No potrebujeme rozpoznať a predpovedať, kedy takéto trhliny už povedú k nebezpečnému odlupovaniu, ktoré by mohlo nenávratne poškodiť povrchovú tepelnú ochrannú vrstvu.“

Aby to bolo možné, treba zobrať do úvahy niekoľko rôznych faktorov. Usporiadanie turbíny môže byť rôzne. Od pevných rozvádzacích lopatiek po pohybujúce sa lopatky, pričom lopatky môžu mať rôznu veľkosť a každý typ turbíny má iné prevádzkové charakteristiky z hľadiska teploty, prietokov či tlaku. Až keď sú lopatky turbíny optimálne zvolené – inými slovami, keď majú tú správnu povrchovú ochranu – možno ich testovať v podmienkach, aké sú v reálnej prevádzke. Tieto testy sa vykonávajú na testovacích zariadeniach v prevádzke na výrobu plynových turbín v Berlíne. Celá turbína tu môže prejsť testovaním trvajúcim aj niekoľko hodín. „Stále sa počas testovania stretávame s niekoľkými prekvapeniami,“ uviedol S. Lampenscherf. „Napríklad ochranná povrchová vrstva sa začne odlupovať na mieste, kde sme to neočakávali.“ Lopatky turbíny majú navyše zložitý, dynamický vnútrajšok a množstvo zakrivených povrchov. „Model lopatky a jej povrchovú úpravu sme v počítači vytvorili vrstvu po vrstve,“ vysvetľuje S. Lampenscherf. V tomto momente si výskumníci ešte nemôžu povedať, že dielo je hotové, pretože požiadavky týkajúce sa účinnosti, výkonu a flexibility elektrární využívajúcich plynové turbíny v súčasnosti dramaticky narástli.

S. Lampnscherf je otcom troch detí a svoj voľný čas trávi najradšej  s rodinou. Počas 13 rokov svojej práce pre Siemens zaregistroval  80 návrhov, ktoré sú chránené 17 samostatnými patentmi zaradenými do 47 skupín na ochranu práv duševného vlastníctva.

High-tech opravy lopatiek turbín

Lopatky turbín sú veľmi nákladnou záležitosťou. Každá z nich stojí toľko, čo kompaktné auto. Pritom na rotore plynovej turbíny sú takýchto lopatiek stovky. Pre vysoké teploty a agresívne plyny, ktoré sa spaľujú pri prevádzke vnútri turbíny, materiál lopatiek koroduje. Dr. Michael Ott zo Siemens Energy vyvinul techniku opravy poškodených lopatiek pomocou laserového zvárania.
Lopatky turbín musia byť extrémne odolné. V závislosti od typu turbíny sa teplota plynu opúšťajúceho spaľovaciu komoru a prichádzajúceho na prvý rad lopatiek pohybuje medzi 1 100 až 1 400 °C. Vzhľadom na to, že ide o úroveň bodu tavenia materiálu lopatiek, prvý rad lopatiek býva chránený povrchovou keramickou vrstvou
a navyše sa tam nachádzajú chladiace otvory, cez ktoré prechádza vzduch a vytvára ochladzovací film. Tieto opatrenia znižujú teplotu na povrchu lopatiek na znesiteľných 950 °C. Avšak lopatky nachádzajúce sa v zadnej časti rotora nemajú ochrannú povrchovú vrstvu. Aj keď sú teploty v tejto časti turbíny o niečo nižšie ako na prvých radoch lopatiek, teplo a spaľované plyny stále zaťažujú lopatky a ich povrch následne koroduje. Lopatky sa výrazne ničia aj vtedy, keď sa turbína často zapína a vypína. V závislosti od toho, či sa turbína využíva na trvalú výrobu elektrickej energie alebo len ako záloha počas špičkovej záťaže, môže sa životnosť lopatiek pohybovať medzi  10 000 až 20 000 prevádzkových hodín, po ktorých musia byť vymenené a opravené. „To je dôvod, prečo sme spolu s našimi kolegami hľadali spôsob, ako rýchlo lopatky opraviť nejakým štandardným postupom a za ekonomicky prijateľných podmienok,“ vysvetľuje  M. Ott, ktorý je špecialistom vo vednom odbore materiálov.

Skôr ako M. Ott získal doktorát vo vedeckej oblasti materiálov na Erlagen-Norimbergskej univerzite, študoval superzliatiny na báze niklu. Tieto materiály sa využívajú aj pri laserovom práškovom plátovaní s cieľom vyplniť všetky trhliny a drážky na turbínach. „Tento materiál sa stáva stabilný iba vtedy, ak sa kov zahreje na teplotu 950 °C, ktorá je práve aj v turbíne,“ hovorí M. Ott. Nevýhodou materiálu je, že ho možno len veľmi ťažko zvárať (navárať). Obrobok musí byť zahriaty na teplotu okolo 900 °C, aby ho bolo možné zvárať. „Je veľmi ťažké rovnomerne zohriať lopatku, aby ste mohli začať navárať,“ vysvetľuje M. Ott. To bol aj dôvod, prečo sme začali spolupracovať s Fraunhoferským inštitútom laserových technológií v Aachene a vyvíjať techniku na naváranie materiálu na lopatku pri izbovej teplote. „Celý trik spočíva v tom, že materiál sa roztaví vo veľmi krátko trvajúcich krokoch,“ vysvetľuje M. Ott. Aby to bolo možné, laserová hlava sa pohybuje rýchlosťou 500 milimetrov za minútu okolo lopatky. Plátovací materiál sa navarí do lopatky a potom sa rýchlo ochladí tak, aby nevznikali napätia, ktoré by mohli spôsobiť oslabenia. Výsledkom je, že lopatku možno takto opraviť v priebehu jednej osemhodinovej zmeny. „Aj keď sa to zdá ako dlhý čas, kvôli hodnote lopatky sa to oplatí,“ dodáva M. Ott.

M. Ott však experimentoval aj s inými prídavkami do procesu zvárania s cieľom zvýšiť pevnosť výslednej opravy. „Pri zvyšovaní účinnosti plynovej turbíny ju musíme prevádzkovať na vyšších teplotách. To je však možné len vtedy, ak vytvoríme materiály, ktoré takéto teploty vydržia,“ hovorí M. Ott. V spolupráci s Fraunhofferským inštitútom laserových technológií pokračuje M. Ott so svojimi kolegami v napredovaní výskumu.

M. Ott pracuje v spoločnosti Siemens od roku 1998. Na začiatku sa zaoberal štúdiom spôsobov zlepšenia odlievania lopatiek turbín a zabezpečenia ich kvality. Súčasťou tohto úsilia bola aj jeden a pol ročná stáž v špeciálnej zlievarni v USA, kde Siemens vyrába niektoré z lopatiek pre svoje turbíny. M. Ott sa už niekoľko rokov špecializuje nielen na laserové zváranie a vysokoteplotné spájkovanie, ale aj na vývoj nových techník opráv komponentov prichádzajúcich do styku s horúcimi plynmi. M. Ott má registrovaných viac ako 100 zlepšovacích návrhov, ktoré sú chránené samostatnými patentmi v 71 kategóriách podľa práv duševného vlastníctva. Keď nepracuje, trávi veľa času so svojou manželkou a synom. Má rád jazdu na bicykli
a motorke, ktoré si takisto sám opravuje. „Rád sa venujem všetkým remeselným činnostiam, pretože veľmi rýchlo vidíte výsledky,“ hovorí. Obľubuje aj čítanie anglických krimirománov, vďaka čomu si zlepšuje aj svoje cudzojazyčné vedomosti.

Zdroj: Inventors of the Year 2013