نقشه راه فناوری نانو اروپا – بخش سنتز

تعداد بازدید : 59

نقشه راه فناوری نانو اروپا – بخش سنتز - قسمت هشتم

9/14/2023

باتری های قابل شارژ و ابرخازن ها

موضوع شرح- 1-3-3

ذخیرهسازی انرژی وقتی که تقاضا و تولید مطابقت نمیکند و زمانی که با منابع انرژی متناوب سروکار داریم، ضروری میشود. برای مثال، در استفاده از منابع تجدیدپذیر، این ظرفیت ضروری، ذخیرهسازی انرژی در هنگام نیاز به ابزارها یا ماشینهای قابل حمل یا متحرک است. تحقیقات برای سیستمهای ذخیرهسازی انرژی قابل اعتمادتر و کاراتر در حال گسترش است0 زیرا تقاضای فزاینده برای انرژی قابل حمل، نیاز به پوشش انرژی، فوریت برای استفاده از انرژیهای تجدید پذیر جایگزین، همچنان وجود دارد. برای این مصارف، هر دو شکل از تأمین انرژی قابل حمل یعنی باتریهای قابل شارژ و ابرخازنها میتوانند مورد استفاده و شارژ مجدد قرار گیرند. باتریها انرژی را به شکل شیمیایی ذخیره میکنند. آنها وقتی که تحت تأثیر واکنش شیمیایی داخلی متاثر از پتانسیل اعمالی به پایانههای آنها قرار میگیرند، شارژ میشوند و زمانی که واکنش شیمیایی معکوس شود، الکتریسیته تولید میکنند. خازنها انرژی الکتریکی را (با ظرفیت بیش از انرژی شیمیایی) به عنوان بار با تمرکزی از الکترونها در دو لایه الکتروشیمیایی روی سطح مواد ذخیره میکنند. باتری سرب- اسید که در ماشینها بکار میرود شناخته شدهترین مثال از باتری قابل شارژ میباشد اما بزرگترین بازار و توجه در حال حاضر متوجه باتریهای کوچکتر قابل حمل بکار رفته در انبوهی از قطعات الکترونیکی مدرن باشد. انتظار میرود فناوری نانونقشی مهم در ارتقای عملکردها و بهبود خصوصیات هم باتریهای قابل شارژ و هم خازنها داشته باشد.

3-3-2 -خواص و کاربردها

قطعات ذخیره سازی انرژی به شکل عمده توسط خواص زیر شناخته میشوند:

• چگالی انرژی (انرژی ذخیره شده در واحد حجم یا جرم)

• چگالی نیرو (نشان میدهد که انرژی در چه زمانی جذب شده یا تحویل داده میشود، این مورد بر زمان

شارژ/تخلیه شارژ تاثیرمیگذارد)

• طول عمر(تعداد چرخه های شارژ / تخلیه شارژ)

• وابستگی حرارتی

با توجه به این مشخصات، باتریها و خازنها ویژگیهای کاملاً متمایزی را نشان می دهند که تعیینکننده کاربرد آنها نیز هست. به طور خاص باتری ها میتوانند مقدار زیادی از انرژی را ذخیره سازند اما چگالی نیروی پایینی دارند (شارژ کردن یا تخلیه بار آنها زمانی طولانی را طلب میکند).طول عمر کوتاهی دارند و وابستگی حرارتی بالایی دارند. خازنهای سنتی در مقابل، چگالی نیروی قابل توجهی را نشان میدهند. اما ظرفیت انرژی بسیار پایینی دارند. طول عمر بالا و وابستگی حرارتی پایینی دارند. روند توسعه در فناوری باتری معمولی بوده است و از اولین باتریهای نیکل کادمیوم قابل شارژ فشرده انتهای نهایی بازار هماکنون توسط باتریهای لیتیم پلیمری و لیتیم یونی اشغال شده است. لیتیم الکتروپوزیتیوترین و همچنین سبکترین فلز است که آن را قادر میسازد عنصری برگزیده برای باتریهای قابل شارژ باشد. هماکنون جنس کاتدی شامل اکسیدهای منگنز نیکل و کبالت است و آند عموماً از گرافیت ساخته میشود. زمینه تحقیقی دیگر مربوط به باتریهای مبتنی بر هیدرید که در حال حاضر هیدرید – فلز – نیکل (NiMH )میباشد این پیشرفت به ارتقای خروجی های نیرو و چرخههای شارژ/ تخلیه بار سریعتر انجامیده است اما همچنان برای بسیاری قطعات مدرن نیازمند انرژی، کافی نیست. در باتریهای لیتیومی، فعالیت تحقیق و توسعه بر چگونگی تحویل یون لیتیوم در باتری قابل شارژ برای به حداکثر رسانی خروجی نیرو، زمان شارژ/تخلیه بار، و تعداد چرخههای شارژ/ تخلیه تمرکز دارد. این امر نیازمند تحقیقات روی هر دو زمینه الکترودها و الکترولیتهاست محدودیت اصولی خازنها ظرفیت انرژی بسیار پایین ذکر شده آنهاست و ابرخازنها که چگالی انرژی نسبتاً بالایی را نشان میدهند راه حلی برای این مسئله هستند. بنابراین ترکیب مزیت چگالی نیروی ذاتا" بالای آنها و قابلیت ذخیرهسازی انرژی-که تفاوت چندانی با خواص باتریها ندارد- امکان پذیرمی شود. عامل تعیینکننده اصلی برای افزایش چگالی بار و خروجی نیروی حداکثری ابرخازنها، در مقایسه با انواع سنتی، سطح تماس هر الکترود است که خازن از آن استفاده میکند. ابرخازنها از مواد نانوساختاری مانند کربن متخلخل به جای صفحات فلزیکلاسیک مرسوم استفاده میکنند که به شکل فزایندهای سطح تماس را افزایش میدهد نوعاً، یک ابرخازن طی چند ثانیه شارژ کامل میشود (در مقایسه با چند دقیقه یا چند ساعت برای باتریهای قابل شارژ). از آنجا که فرآیندهای الکتروشیمیایی در خازنها وجود ندارد، آنها پایدارتر از باتری های قابل شارژ هستند وتقریباً طول عمربی نهایتی دارند. تأمین کننده های نیروی قابل حمل کنونی همچنان درگیر تأمین تقاضا برای بسیاری کاربردها هستند (به طور عمده آخرین نسل از قطعات قابل حمل الکترونیک) و همچنان با کمبود حداکثر خروجی نیرو و نرخهای شارژ/تخلیه پایین دست وپنجه نرم میکنند. بر اساس نظر متخصصان، فناورینانو - که از پیش کاربردهایی یافته است- چنان که گفته شد، میتواند نقشی بسیار مهم برای غلبه برمحدودیتهای ابزارآلات ذخیره ساز انرژی کنونی در ابرخازنها ایفا کند. فناوریهای امروزی نه به لحاظ تأمین مواد بلکه به دلیل سطح تماس فعال محدود هستند، (تخمین زده م یشود که تنها از 25 درصد از حجم باتریهای قابل شارژ به طور فعال استفاده میشود) و انتظار میرود کاربرد موادی با نسبت سطح به حجم بالا، سطوح تماس سفارشی شده و به طور کلی ریخت شناسی عمومی جهت کمک به ارتقای موارد زیرافزایش یابد:

• چگالی نیرو

• چگالی انرژی

• سرعتهای شارژ/ تخلیه

همچنین انتظار میرود طول عمرنیزافزایش یابد. فعالیت تحقیق و توسعه در وهله اول روی توسعه الکترودها و سپس روی الکترولیتها تمرکز دارد، چندین جایگاه الکترود مختلف، مبتنی بر فناوری نانو وجود دارند که کاوش روی آنها ادامه دارد و میتوان از آنها هم در باتریها و هم در ابرخازنها استفاده نمود. در میان مقولات برتر فناوری نانو برای ذخیره انرژی. متخصصان موارد زیررا مشخص کردند:

• نانوذرات/مواد نانوبلوری

• فیلمهای نازک، سطوح و لایههای نازک

• نانولولههای کربنی و غیرآلی

• نانوسیمها

نانوکامپوزیت ها و نانوذرات گزینههای اصلی هستند. توسعه مواد محیط دوست و ایمن نیز هدفی است که توجه ویژه ای را به خود جلب میکند.

3-3-3 -افق توسعه کاربردها

بیشتر تحقیقات در زمینه باتریهای مبتنی بر نانوفناوری و ابرخازنها نسبتاً پیچیدهتر و پیشرفتهتر از تحقیقات در دیگر زمینههای انرژی هستند. اما آنها هم اغلب در مراحل تحقیق و توسعه بنیادی/کاربردی قرار می گیرند. با این حال انتظار میرود، تا اوایل 2010 نانو فناوری نقشی عمده در بازار ابرخازنها و باتریها داشته باشند. درحالیکه بسیاری کاربردها زودتربه کاربرد تجاری اولیه دست خواهند یافت. در سال 2015 ،عملاً کلیه اهداف کنونی: توسعه در الکترودها و الکترولیتها، ارتقای طول عمر باتریها و مواد جدید ایمنتر قابل دسترس خواهند بود. انتظار میرود، تا سال 2015 ابرخازنهای با ظرفیت انرژی بالا در مرحله کاربردهای پرمصرف باشند درحالیکه باتریهای با سرعت بالا در شارژ/تخلیه همچنان باید در مراحل اولیه کاربرد تجاری باشند. بر اساس نظر متخصصان، تقاضای رو به رشد برای تأمین انرژی قابل حمل، افزایش نسبتاً بالای هزینه ها، همراه شدن توسعه و عملکرد ناشی از فناوری نانو را جبران میکند و انتظار میرود توسط بازار مورد استقبال قرار گیرد.

3-3-4 -چالشها، موانع، گلوگاهها

چنانچه پیشتر خاطر نشان شد، منطق ماورای توسعه سیستمهای ذخیرهسازی انرژی جدید مبتنی بر افزایش ظرفیت انرژی و نیرو و طول عمرتحت شرایط عملیاتی کاربردی است. همانطور که در بالا گفته شد، تلاشهای تحقیق و توسعه عمدتاً به ارتقای الکترودها، الکترولیتها و فناوری آنها اختصاصی یافته است. برای الکترودهای باتریها تلاشها روی عوامل زیرمتمرکز است:

• سطح تماس بیشتر(مثلاً تخلخل نانو) برای قرار دادن لیتیوم بیشتر و در نتیجه ظرفیت نیروی بالاتر

• ارتقای موادی که میتوانند در برابر تغییرات حجمی به دلیل حرکت کردن لیتیوم میان الکترودها مقاومت

کنند.

• استفاده از مواد کم خطرتربرای محیط زیست به عنوان کاتد.

الکترودها. 38 • کاهش غیر فعال شدن

• اطمینان از توزیع یکنواخت نانوذرات درون کاتدها (با پیشگیری از کلوخه شدن آنها) و اطمینان از اینکه

نارسایی از حداکثر خودش بیشتر نشود.

• در نظر گرفتن کلیه موارد بالا و کاربرد آنها در فرآیندهای تولیدی صنعتی .

ارتقای الکترولیتها باید در کنار تحقیقات به این امر کمک کنند که کیفیت باتریهای نهایی مطمئن و کارا باشد. برای ابرخازنها، تخلخل الکترود باید کنترل شود تا تراکنش الکترولیت و در نتیجه چگالی بار حداکثر شود و مطمئن شویم که هم کاتیونها و هم آنیونها با الکترود مربوطه واکنش لازم را انجام میدهند (که نیازمند تولیدهمان مواد برای الکترودها با تخلخلهایی در یک مقیاس متفاوت است). این امر حتی وقتی با کاربرد الکترولیتهای آلی سروکار داریم، اهمیت بیشتری مییابد (که این خروجی ولتاژ حداکثر را افزایش میدهد) چرا که در آنها کاتیونها و آنیونها اندازههای کاملاً متفاوت دارند. این تحقیق، نانوذرات، نانوکامپوزیت ها و مواد نانوبلوری را شامل میشود. در شکل زیر نتایج تحلیلی اهداف تحقیقاتی مدنظرنشان داده شده است.

3-4 -عایقکاری حرارتی و رسانش

موضوع شرح- 1-4-3

از مواد عایقکاری برای نگهداری دما در مقدار ثابت در فضای بسته مانند یک ساختمان یا یک محفظه استفاده میشود و پیشرفت در عایقکاری به کاهش اتلاف انرژی به ویژه در مصارف خانگی و صنعتی کمک خواهد کرد. کاهش در تقاضای برای انرژی، برای محیط زیست مفید خواهد بود و به مقابله با افزایش هزینههای انرژی کمک خواهد کرد. نیازهای اصولی برای عایقکاری حرارتی آن است که بایستی این امر نرخ انتقال حرارتی توسط رسانش، همرفت، تابش یا هرترکیبی از این مکانیسمها را کاهش دهد. دو رهیافت اصلی برای دستیابی به این هدف وجود دارند:

• استفاده از مواد متخلخل که هوا یا هر گاز دیگری را مهار کند، مانع حرکت آن م یشود و در نتیجه همرفت را کاهش میدهد.

• به کارگیری پوشش برای بازتاب دادن گرما (چنین پوششی میتواند در روکشسازی مورد استفاده قرار گیرد و در برابرنور مرئی شفاف باشد)

تا آنجا که به مورد دوم مربوط میشود، عبارت "روکش دهی هوشمند" برای شیشه حایز اهمیت است که به محیط پیرامون خود در بدو امر با تغییر شفافیت و عبور دهی پاسخ داده و واکنش میدهد. این تغییر در شفافیت میتواند اثرات زیادی در صرفه جویی انرژی داشته باشد.

3-4-2 -خواص و کاربردها

در عین حال و پشم فلز موادی که امروزه برای عایقکاری به کار میروند شامل فایبرگلاس، پشم سنگ مواد بیشتری اخیراً وارد بازار شدهاند. همچنین از آئروژلها به عنوان کارآمدترین مواد برای عایقکاری نام برده میشود، با این حال، تاکنون قیمت بالای آنها باعث شده که تنها برای کاربردهای ویژه مناسب باشند. تنها افزایش سریع در هزینههای انرژی اخیراً استفاده از آنها را فراگیرتر نموده است، در حالی که برخی کاربردها نیز در شیشههای دوجداره و خطوط لوله (برای گاز طبیعی) داشتهاند. این مواد ممکن است با کاهش در هزینهها و توسعه آیروژلهای شفاف )مثالهایی از آن قبلاً وجود دارند). در کاربردهای متنوعی مانند پنجرههای مقاوم در برابر دما کاربرد پیدا کنند. فناوری نانو برای توسعه آتی آیروژلها احتمالاً حیاتی خواهد بود. این مواد در واقع ماتریسهای بسیار حفرهای عموماً از جنس کربن هستند اما از سیلیس هم قابل تهیه هستند و میتوانند به واسطة تخلخل و ذرات کوچکتر از طول موج نور خود تا 8/99 درصد از هوا تشکیل شوند. به دلیل ساختار متخلخل آنها، از فناوری نانومیتوان جهت کنترل اندازه تخلخلها برای سفارشی کردن پاسخ مواد به تشعشع دریافتی استفاده کرد و بنابراین به کنترل خواص اپتیکی کمک نمود. در رابطه با فناوری لعابکاری بزرگترین جهش در آن طی 25 سال گذشته توسعه و فراگیر شدن فیلمهای نازک چند لایه با قیمت پایین و در حجم وسیع بوده است. توسعههای اخیر با توجه به کیفیت، هزینه و تکرارپذیری، کاربرد آنها را در صنایع ساختمانی میسر کرده است0 سطوح دارند برای افزایش خاصیت بازتاب و 41 لعابکاری شده معماری که میکروساختاری به صورت درپوش نوری ونیزی انعکاسدهندگی به کار گرفته شدهاند. پیش از این، چند محصول به بازار آمدهاند که از اکسید تنگستن به عنوان مواد الکتروکرومیک با ولتاژ اعمال شده از طریق الکترودهای اکسید قلع انیدیوم (ITO )که شفاف هستند، استفاده میکنند. با این حال، این محصولات گرانقیمت هستند (به دلیل هزینههای ITO )و در نتیجه نیاز وافری برای توسعه جایگزینهای ارزانتر وجود دارد. فناوریهای عایقکاری سنتی میتوانند حجیم و یا سنگین باشند و در نتیجه حتی اگر دارای راندمان عایقکاری نسبتاً بالایی باشند، برای اجرای وظایف خاصی کافی نیستند. در مقایسه با پوششدهی و لعابکاری، هیچ فناوری مرسوم موثری که بتواند عایقکاری کارآمدی در عین شفاف بودن ارایه کند وجود ندارد. انتظار میرود نانو فناوری در این زمینه نیز برای تأمین تقاضای خاطرنشان داده شده موثرباشد. در بررسی کلی، بر اساس نظرات متخصصان پنل دلفی، مهمترین خاصیت نانومواد در عایقکاری حرارتی در مقایسه باجایگزینهای فعلی، ظرفیت آنها در کاهش نرخ انتقال حرارت توسط سازوکارهای متعدد اما با یک روش معین است .علاوه بر این، در عین حال بایستی مزایای دیگر قابل استخراج از نانو مواد در نظرگرفته شوند. به طور خاص نرخ بهتر انتقال حرارت (ونیز عکس این خاصیت)، خاصیت جذب سفارشی شده مواد، طول عمربیشتر و کاهش هزینه قابل ذکرمیباشند. تحقیق به طور خاص برتوسعه موارد زیر استوار است:

• "لعاب کاری هوشمند" الکتروکرومیک، فتوکرومیک و ترموکرومیک

• ارتقای جایگزینهای اکسید – قلع – ایندیوم (ITO )

• سطوح میکروساختاری

• مواد حفرهای دارای هوا یا دیگر گازهای مهار شده

با مراجعه به مناسبترین نانوفناوریها برای عایقکاری حرارتی و رسانشی، متخصصان موارد زیررا نام بردند:

• فیلم، لایهها و سطوح نازک

• نانوذرات/ نانوکامپوزیتها

• آئروژلها

• ساختارهای خودآرا شده

• مواد میان حفرهای (مواد مزوحفرهای)

• نانولولههای کربنی (CNTها)

در مورد آئروژلها، توجهات به توسعه کامپوزیتهای آئروژلی شامل پلیمرها و کربن بلک (black carbon )نیز شده است. این امرمیتواند باعث کاهش هزینه های نهایی مواد در هنگام خاصیت بخشی یا افزایش خواص حرارتی شود.

3-4-3 -افق توسعه کاربردها

بر طبق نظر اکثریت بالایی از متخصصان سهیم در پنل دلفی، انتظار میرود طی دوسال آتی، فناوری نانو نقشی در حد بالا و یا بسیار بالا در رسانش و عایقکاری حرارتی ایفا کند. از نانوذرات و فیلمهای نازک به عنوان تشکیلدهندگان اصلی این زمینه، با کاربرد در زمینههایی مانند پوشش برای لعابکاری محصولات با خواص کرومیک قابل تنظیم، یاد م یشود که انتظار میرود طی ده سال آتی تا مراحل کاربردی ارتقا یابند. به استثنای آئروژلها که هماکنون، مدتی است در مرحله کاربرد تجاری کامل قرار دارند، بقیه نانو مواد مورد استفاده برای عایقکاری حرارتی فوق الذکر، همگی عملاً در مرحله تحقیقات مقدماتی هستند. انتظار میرود در سال 2010 کلیه آنها به مرحله کاربرد تجاری اولیه برسند و عموماً در سال 2015 کاربردی در حد تولید انبوه یابند، چنانچه در شکل هم دیده میشود. این ممکن است بدین دلیل باشد که بسیاری از مواد آتی تحت توسعه مقدماتی، احتمالاً با محدودیتهای فعلی مواجه خواهند بود و در نتیجه تأثیری عمده روی محصولات طی دهه آینده خواهند داشت. همچنان مشخص نیست که تقاضای عمده آتی برای چه محصولاتی خواهد بود. حل کردن معضلات فعلی مواد به این معنی است که میتوان انتظار داشت این مواد جدید افزایش قیمت در حد میانه تا بالایی را در مقایسه با فناریهای فعلی تجربه کنند.

3-4-4 -چالشها، موانع، گلوگاهها

چنانچه گفته شد، انتظار میرود فناورینانو تا سال 2010 نقشی عمده در عایقکاری حرارتی داشته باشد و این عمدتاً به دلیل خواص بهتر و جدید خواهد بود و نه کاهش هزینهها در مقایسه با فناوریهای جدید. چالشهای عمده تحقیق و توسعه رسانش/عایقکاری حرارتی مرتبط با فنا وری نانو طی ده سال آتی شامل موارد زیر است:

• سیسستمهای پایدارسازی الکتروکرومیک

• تهیه پنجرههای فتو الکتروکرومیک

• اعمال یکنواخت معمولی نانوذرات در ماتریسهای حفاظتی

• تولید انبوه نانوذرات خاص در اشکال هندسی مشخص (مثلاً برای پوششهای انعکاس دهنده)

• کاهش هزینههای آئروژل

• کنترل تخلخل نانو

• توسعه لعابکاری پاسخ دهنده به محیط به صورت هوشمند.

• ارتقای مواد ابرسخت برای پوششهای عایق حرارت

پیش از این حجم زیادی از تحقیق و توسعه در فاز کاربردی برای چالشهای عمده در دهه آتی در ارتقای افزونتر مواد پوششی از نظرپایداری وتولید انبوه آنها (بیش از شناسایی مواد جدید) بوده است. شکل زیربخشهای عمده تحقیق را معین میکند.

3-5 -نتایج جنبههای غیر فنی و توصیهها

3-5-1 -موقعیت رقابتی اروپا

بر اساس نظرات متخصصان پنل دلفی، علوم نانوی اروپا، در هر 4 موضوع لحاظ شده توسط نقشه راه انرژی در مقایسه با دیگر مناطق جهان، خوب عمل میکند. تنها در ترموالکتریسیته، مشخصاً 40 درصد متخصصان وضعیت اروپا را ضعیف ارزیابی کردند. برخلاف نظر مثبت درباره علوم نانو در اروپا وقتی موقعیت رقابتی صنایع اروپا را ارزیابی میکنیم نتیجه قضاوت چندان مطلوب نیست و با عوض شدن موضوعی به موضوع دیگر و تغییر نوع صنعت لحاظ شده (صنایع بزرگ یا SME ها) این موقعیت تغییر میکند. با این حال، تنها، فقط 15 درصد از متخصصان وضعیت صنایع بزرگ اروپا را در این چهار بخش خوب ارزیابی کردند. با این حال، لازم به ذکر است که برخی پیشروان موفق در اروپا وجود دارند. ب به نظر میرسد ه طور عمده صنعت اروپا، تا اندازهای در مقایسه با ایالات متحده آمریکا و آسیای جنوب شرقی دچار تأخیر فاز باشد. در زمینه ترموالکتریسیته، اکثریت شرکتها نقش عمدهای برای پیشبرد فناوری نانو در این زمینه دارند که اکثراً (16 مورد از 24 مورد) در آمریکا واقع هستند. با این حال، در رسانش و عایقکاری حرارتی مرتبط با فناوری نانو، نقاط روشنتری نیز وجود دارد، برای مثال وضعیت صنعت اروپا در زمینه رسانش و عایق حرارتی مرتبط با فناوری نانو توسط اکثر متخصصان خوب یا عالی تصور میشود. در زمینة پیلهای خورشیدی شرکتهای بسیار بزرگی وجود دارند و نیز شرکتهای تازه تأسیسی هستند که متخصصان وضعیت آنها را خوب ارزیابی میکنند. همچنین در زمینه باتریهای قابل شارژ و ابرخازنها وضعیت SMEهای اروپا از رضایتبخش تا خوب ارزیابی میشود .

اقتصادی جنبههای- 2-5-3

وضعیت بسیار ابتدایی کنونی توسعه فناوری نانو در بخش انرژی، تعیین دقیق تأثیر اقتصادی ناشی از کاربرد بسط نانو مواد یا فرآیندسازی فناوری نانو را مشکل می سازد. بدین جهت تنها برخی پیشبینیهای بازار از محصولاتی که از قبل وجود دارند جهت ارایه تصویری از بعد اقتصادی محتمل محصولات مرتبط با فناوری نانو گزارش شده است. در مورد پیلهای خورشیدی، رشد بازار در حال شتاب سریع با افزایش 64 درصدی در زیر ساختها از سال 2003 تا سال 2004 در مقایسه با سال گذشته با افزایش 32 درصدی همراه بوده است. (براساس گزارش world annual : 2005 buzz market support market photovoltaic solar )این به معنی دو برابر شدن اندازه بازار در فاصله 2000 تا 2003 است، که معادل قریب به 5 درصد کل بازار جهانی انرژی در سال 2003 میباشد. پیشروان بازار به لحاظ حجم مگاوات نصب شده به ترتیب عبارتند از: آلمان، ژاپن و سپس آمریکا. نهایتاً پیشبینی میشود درآمدهای به دست آمده از محل انرژی خورشیدی 13 الی 4 میلیارد دلار باشد. رهبری بازار در بخش تولید پیلهای خورشیدی به دست شرکتهای |solar P B| solar shell sharp| kyocera است که 50 درصد از سهم بازار را به خود اختصاص میدهند (بر اساس 91-90 spektrum: Gans (der wissen schaft | April 2002 همچنین بازار باتریهای قابل شارژ سال به سال در حال رشد است. گردش مالی تمام انواع باتریها، در اروپا که در سال 1999 تقریباً برابر 3 میلیارد یورو بود و انتظار میرود به مقدار 6/4 میلیارد یورو در سال 2006 برسد (Gans: spektrum der wissen schaft | April 2002 90-91) ابرخازنها یک فناوری جدید برای محصولات قابل حمل و دیگر بخشها هستند و برای بازارهایی که نیاز بالایی به قدرت دارند، بسیار خوش آتیه میباشند. پشتیبان نیرو در قطعات برقی، منبع نیروی مقاوم در برابر تغییرات آب و هوایی (به لطف وابستگی حرارتی اندک ابرخازنها)، ترمزهای تجدید شونده و پیش گرمایش کاتالیزوری در صنایع خودروسازی و تأمین انرژی برای تلفنهای همراه تنها مثالهای اندکی از کاربردهای خاص ابرخازن هاست که میتوانند باعث جهشی عمده ای شوند. صنعت مواد رسانا و عایق به خوبی جای خود را باز کرده است. بنابراین فناوریهای جدید در ابتدا باید کارایی خود را در واحد جرم ماده و یا کاربردهایی کاملاً جدید مانند لعابکاری هوشمند نشان دهند. بازار جهانی عایقکاری پیشبینی میشود حدود 20 میلیارد دلار باشد. (2003 Aspen ) انتظار میرود نانو فناوری تأثیر عمیقی روی کلیه این بخشها داشته باشد، اما هنوز برای تعیین دقیق سطح عملکردهای محصولات نانو و تفاوت قیمت آنها در مقایسه با محصولات موجود، بسیار زود است. بنابراین، نفوذ به بازار و پیشبینی وضعیت آن مشکل است. برای کلیه کاربردهای در نظرگرفته شده، متخصصان بیان داشتند که اگر پیشرفتهای مورد نظر اتفاق بیفتد، افزایش قیمتی در حدود 5 الی 15 درصد توسط بازار بایستی پذیرفته شود.

3-5-3 -نتایج و توصیهها

این مسأله غیر قابل انکار است که ضرورتاً تقاضا برای سیستم های انرژی جدید و توسعه یافته طی 10 سال آینده رو به افزایش خوهد بود و بسیاری از فناوریها در حال ورود به این رقابت بوده ودر عین حال به دنبال روشهای تولید، ذخیرهسازی و صرفهجویی انرژی به صورت کار آمد، دراز مدت ومقرون به صرفه میباشند. فناوری نانو ، دست کم با توجه به دید موضعی این پروژه، قرار نیست روشی یا راه حلی کاملاً جدید باشد، اما در عوض جایگزینی بسیار اقتصادی برای بسیاری از فناوریهای موجود کنونی است. در بسیاری از مثالها، مانند پیلهای خورشیدی بسیار مؤثر جدید (مثلاً موارد مبتنی بر نقاط کوانتومی) یا ابرخازنها، فناوری نانو میتواند مزیت منحصربه فرد این کاربردها را با رقابتی ساختن آنها در میان جایگزینهای موجود، متحول کند. جذب و بازتاب تشعشع، رسانش الکتریکی و حرارتی، انتقال بار، رسانایی و همرفت گرما، همگی خواصی هستند که میتوان آنها را به دقت به گونهای تغییر داد که در سطح مولکولی عمل کنند و این همان چیزی که از فناوری نانو انتظار میرود تا انجام دهد. در کلیه موضوعاتی که در نظر گرفتیم، محصولات زیادی مدتی است در بازار وجود دارند، اما ارتقای کاربردها با استفاده از فناوری نانوهماکنون عمدتاً در یک فاز تحقیقات بنیادی یا کاربردی است. تعهدی قوی برای حمایت و حفظ موقعیت خوب تحقیقات اولیه اروپا (در نانو فناوری) در زمینه انرژی و تبدیل این وضع به شکل موقعیت قویتری به صنایع اروپا وجود دارد. چنانچه 30 الی 40 درصد متخصصان سهیم در پنل دلفی بیان داشتند، یک پشتیبانی قویتر از سوی اتحادیه اروپا و دولتهای ملی به نظر، ضروری باشد. کمبود مشخص یک درخواست صنعتی مؤثر و فعالیتهای تحقیقاتی انجام شده توسط بخش علمی اروپا، نقطه بحرانی استخراج شده از نظر سنجی نقشه راه است. این یک خطر جدی است که اروپا ممکن است از آنچه بازارهای سود آور و در حال رشد نامیده میشود عقب بماند. به نظر نمیرسد دسترسی کافی به زیر ساخت/تجهیزات برای اجرای فعالیتهای مرتبط با نانو فناوری (شامل استفاده از تجهیزات داخلی و خارجی از طریق همکاریهای موجود) ، مشکلی برای تحقیق و توسعه در این زمینهها باشد. با این حال، همکاری نزدیکتر رشتههای دانشگاهی (که اغلب به عنوان پیشران در ایجاد نوآوری شناخته میشوند) با بخش صنعتی ضروری است تا به ارتقای فرآیندهای تولید به موازات شناسایی مواد جدیدتر کمک نماید. بر اساس نظر متخصصان این هماهنگیها میتواند از طریق تسهیم در پروژههای مشارکتی کوچکتر و بیشتر (که به تعداد بیشتری از موضوعات تحقیق و توسعه اجازه میدهد دنبال شوند و ارتباطات اشتراکی بهتری را میان شرکا تثبیت کند) به جای شرکت در پروژه های بسیار بزرگ کمترباشد. در بسیاری موقعیتها صرفاً فناوری مناسب برای تولید مواد در حجم وسیع وجود ندارد، مثل اطمینان یافتن از اینکه نانوذرات در اندازههای مشابهی تولید شده و توزیع شکل و اندازهای یکنواختی دارند. اگر تولید در حجم بالای مواد خام پیش از آنکه آغاز تولید محصول نهایی صورت پذیرد ضروری باشد، این میتواند گلوگاهی مهم باشد. افزایش مقیاس پروژههای آزمایشگاهی به فرآیندهای صنعتی، در واقع چالشی عمده است که به طور کلی چنانچه در بالا گفته شد. این موضوع را در نظر دارد که محصولات آتی ارتقا یافته بایستی به بازاری جا افتاده و پایدار وارد شوند و بایستی توجهی ویژه وجود داشته باشد تا فرآیندها، سازگار با محیط زیست وایمن صورت پذیرند.

3-6 -نتایج عمومی

عملاً اجماعی کلی روی این حقیقت وجود دارد که فناوری نانو من جمله فناوریهای نوینی است که ارتقا و روند رشد فناوری آینده را مشخص خواهد کرد. پروژه نقشه راه نمایی از وضع موجود و افقهای توسعه آینده کاربردهای فناوری نانو در سه بخش عمدة مواد، بهداشت و سیستمهای دارویی و انرژی ارایه میدهد، که تأثیری ژرف هم در سطح اجتماعی و هم در سطح اقتصادی خواهند داشت. نقشه راه های تهیه شده مبتنی برنظر تعداد نسبتا زیادی از متخصصان است که از کشورهای متفاوت در جهان اعم از دانشگاه و صنعت میباشند ودیدی عمیق از پیشرفت ها وتمایلات راجع به تعداد کافی از کاربردهای فناوری نانو دارند. کسانی که با زمینههای فوق الذکر با نوآوری و خلاقیت، سروکار دارند، عموماً می دانند که بسیاری از ایدههای جدید و پیشبینیها در فناوریهای جدید از آزمایشات کلیدی لازم برای کاربردی کردن آنها در مقیاس صنعتی موفق بیرون نمیآیند. با این وجود، از میان 30 موضوع اولیه انتخاب شده دوازده موضوع نقشه راه ترسیم شد که، میتواند نشانگر اولویت مفاد تحقیق در بحث های فوقالذکر در دهه آینده باشد. نتایج به دست آمده و تحلیل شده از نقشه راه در این متن خود مشترک برخاسته از میان نظرات متخصصانی است که در این زمینهها و راجع به کاربردهای فناوری نانو کار میکنند و نهایتاً میتواند به کارگیری آنها را در این بازه زمانی تسهیل کند. نقشه راه ها همچنین دارای وابستگی متقابل بسیار زیاد و پتانسیل کاربردی متقاطع درمیان سه بخش نظر سنجی شده هستند که به ارتقای مبادله اطلاعات را برای تقسیم دانش و افزایش شتاب انتقال نتایج تحقیقات به سوی کاربردها اختصاص دارد. با این وجود یک مطلب از تحقیق انجام شده، کاملاً روشن میشود: برای بهرهبرداری کامل از مزایای فناوری نانو تنها دو الی سه سال زمان داریم و کارهای بسیاری در مسیر صحیح بایستی انجام شوند. در واقع در هر سه بخش نظر سنجی شده، ، کاربرد نتایج فناوری نانو در حال حاضر عموماً در مراحل اولیه توسعه هستند. اکثریت کاربردهای بسیار پیشرفته (مثل کاتالیزورها، نیمهرساناها و فیلمهای نازک) همچنان وابسته به فرآیندهای میکروفنآوری ارتقا یافته درمقیاس نانو هستند، درحالیکه مفاهیم جدیدتر شاهد تحقیقات در مراحل کاربردی اولیه هستند و مثالهای اندکی از آنها در مراحل اولیه کاربردها هستند )زیست تراشهها، پیلهای خورشیدی، جوهرها، عوامل ایجاد وضوح و دارورسانی، نانو کامپوزیت ها) به نظر میرسد، 10 سال- زمانی که توسط پروژه در نظر گرفته شده است- زمان لازم برای ورود کاربردهای در نظر گرفته شده به بازار باشد، با این حال، برای بسیاری از آنها، حتی این زمان برای رسیدن به بلوغ کامل کافی نیست، به خصوص در زمینههای پزشکی و دارویی. در این مورد بسیاری سؤلات باید پیش از آنکه درمانی مرتبط با نانو به طور کاملی پذیرفته شوند، پاسخ داده شوند. مطالعه مسمومیت سلولی توسط نانوذرات یا محصولات تجزیه شدن آنها علاوه بر سازگاری زیستی نیازمند تلاش ویژهای است و همچنین پایداری نانوذرات در محیط زیست و تعامل آنها با موانع سلولی همچنان نیازمند تحقیقات شدیدی است. فرآیندهای طولانی برای تایید مواد دارویی میتواند باعث تأخیر بیشتر شود. با این حال دستاوردها میتوانند بسیار چشمگیر باشند و نانو پزشکی چنانکه فعالیت جدی کنونی نشان میدهد، یکی از برگهای برندة فناوری نانو است. با این حال، نگرانی از کمبود درکی کامل از تعامل نانومواد با بدن انسان و محیط زیست، محدود به کاربردهای پزشکی نیست و به تهیه، حمل و کاربرد فراگیر آنها نیز برمیگردد اکثریت بالایی از متخصصان با آگاهیهای فزاینده از خطرات بالقوه مرتبط با نانو مواد آشنایی دارند و بر نیاز به سرمایهگذاری جدی روی این موضوع تأکید کردند، چرا که این نظری مشترک است که رهیافتی نادرست در این مسئله میتواند مانع (یا حتی به خطر اندازنده) موفقیت فناوری نانو شود. تحقیقات در این زمینه اولویتی است که باید با بحث و اطلاعرسانی شفاف درباره منافع و خطر (و فعالیتهایی که باید تحت کنترل باشند) برای کسب مقبولیت عمومی مورد توجه قرار گیرد. تلاش ادامهدار بر مباحث تحقیقات زیربنایی، حیاتی به نظر میرسد. درک روابط مرتبط کنندة ساختارها، خواص، رفتار و فرآوری در مقیاس نانو جهت هدایت تحقیقات و توسعه کاربردها ضروری است. بر اساس نظرات متخصصان سهیم در پنل دلفی، زمانی که علوم/تحقیقات (مثل دانشگاه) در نظر گرفته میشود، موقعیت رقابتی فناوری نانواروپا در سه بخش فوق الذکرعمدتاً خوب ارزیابی میشود و در بخشهایی با توجه به دیگرنقاط دنیا این موقعیت عالی است. در بخش صنعت، در مقابل، نظرات چندان صریح نیست و وابسته به نوع شرکت در نظر گرفته شده و بخش مورد نظر است.

به نظر میرسد شرکتهای بسیار بزرگ عموماً رقابتیتر از کشورهای دیگر در هر سه بخش به جز انرژی باشند، در حالیکه در همان بخشها هم استثناهایی مانند پیلهای خورشیدی وجود دارد. هم صنایع بزرگ و هم صنایع کوچک پس از صنایع بسیار بزرگ امتیاز کمتری در این نظرسنجی کسب میکنند. SMEهای خلاق و شرکتهای نوپا در زمینه دارو، عموماً به نظر وضعیت خوب یا رضایتبخش دارند و در مواردی عالی هستند، در حالی که در بخش مواد موقعیت پیچیدهترمیشود. پروژه نقشه راه، همچنین نشان میدهد که موقعیت خوب یا عالی وضعیت علمی اروپا برای انتقال به وضعیت قابل مقایسه در صنعت دچار مشکلاتی است. فاصله میان وضعیت تحقیقاتی بسیار مناسب اروپا و صنعت اروپا چیزی است که بسیاری از متخصصان فارغ از زمینه خاص مدنظربه آن اشاره داشتهاند. ارتقای همکاری میان این دو بخش علاوه برارتقای فرآیند انتقال فناوری ضروری به نظرمیرسد. اکثریت عمده ای از متخصصان بر لزوم ایجاد مراکز چند منظوره مشترک برای سه بخش، با دانش وسیعی روی توسعه/ کاربرد مواد و تجهیزات نیمه صنعتی ، اتفاق نظر دارند. این مراکز با همکاری متقابل، همکاری دسترس به تجهیزات پیچیده در کمک به انتقال نتایج تحقیقات به محصولات، افزایش مقیاس فرآیندهای تولیدی به موازات نیازهای صنعتی و ایمنی و آموزش مردم، مؤثر خواهند بود. هم دانشگاه و هم صنعت و اکثر SME ها از این امرمنتفع خواهند گشت. پشتیبانی تقویت شده از طرف اتحادیه اروپا و دول ملی، هم از طریق تلاشها برای همکاری و هم از طریق ارتقای پروژههای مشارکتی نیاز زیر بنایی دیگری است برای توسعه رقابتی کردن فناوری نانو اروپا که از نقشه راهها استخراج میشود در مجموع بر چالشها و گلوگاه های بسیاری که اکثر آنها در هر سه بخش مشترکند. طرفی بایستی طی ده سال آتی برای رساندن موفق کاربردهای مورد انتظار به بازار تلاشهایی صورت گیرد. این چالش ها هم فنی و هم اقتصادی هستند و نیازمندیهای اولویت دار به شرح زیر خلاصه شدهاند:

1 .تحقیقات زیربنایی برای درک ارتباط فرآیندها – خواص – ساختار در سطح مولکولی

2 .مدل سازی و شبیهسازی کامپیوتری در مقیاس نانو

3 .ابزار آنلاین برای تشخیص، نظارت بر فرآیند و کنترل، مترولوژی

4 .ارتقای چارچوب قاعده مند استاندارد و روالهای مشترک اخذ تأییدیه

5 .تشخیص و پیش توسعه مواد، کاربردها و ظرفیتهایی که به نیازهای جدی برای تولید انبوه پاسخ میدهند و

در نتیجه کاهش ریسک ناشی از ارتقای آنها

6 .افزایش مقیاس تولید

7 .ارتقای همکاری میان دانشگاه و صنعت و انتقال فناوری

8 .فراهم آوردن تحصیلات ومهارتها هم برای محققان جوان و هم برای کارکنان در این زمینه

9 .پاسخ به نگرانیهای فزاینده در مورد مسایل HSE

10 .بحث و اطلاعرسانی شفافتربا ذینفعان راجع به مزایا و خطرات فناوری نانو