Nagrada za znanstvene novake u splitskim rukama

Dr. sc. Željko Penga dolazi sa splitskog Fakulteta elektrotehnike, strojarstva i brodogradnje gdje radi na Zavodu za strojarstvo i brodogradnju. Dobitnik je državne nagrade za znanost u području tehničkih znanosti kao znanstveni novak, a ujedno je i najmlađi doktor znanosti iz strojarstva na FESB-u.

– Završio sam preddiplomski i diplomski studij strojarstva, doktorirao iz područja računalne dinamike fluida i eksperimentalne analize vodikovih membranskih gorivnih članaka. Bavim se računalnom analizom strujanja fluida, simultanim prijenosom topline i tvari, eksperimentalnom validacijom i optimizacijom u svrhu poboljšanja radnih značajki. Radim u velikom dijelu, u suradnji s drugim ustanovama, prvenstveno inozemnim, zbog potrebe za vrlo skupocjenom opremom i visoko-obučenim kadrom koji se bavi vodikovim tehnologijama. Od međunarodnih suradnji istaknuo bih suradnju sa Sveučilištem Oxford, Sveučilištem Jiangsu, Tehničkim sveučilištem u Grazu, Institutom ZSW iz Ulma u Njemačkoj, a od domaćih suradnju s partnerima s projekta STIM-REI.

Dobitnik ste državne nagrade za znanost u području tehničkih znanosti. Stoji u obrazloženju da je nagrada dodijeljena posebno za postignute originalne rezultate koji se odnose na područje matematičke i eksperimentalne analize vodikovih membranskih gorivih članaka i obnovljivih izvora energije. Recite nam nešto o tome?

Matematička i eksperimentalna analiza su međusobno povezane. Većina istraživača se bavi jednim ili drugim područjem, međutim po mom mišljenju potrebno se baviti i jednim i drugim kako bi se došlo do relevantnih saznanja.

 

– Za određenu problematiku od značaja, na računalima visokih performansi izrađujem matematičke modele različitih stupnjeva kompleksnosti, koje zatim kalibriram i validiram rezultatima eksperimentalnih mjerenja. Nakon što model precizno opisuje stanje ustanovljeno eksperimentalnim mjerenjima, na računalu ispitujem utjecaje različitih preinaka na performanse, od geometrijskih preinaka do promjene radnih parametara, kao što su npr. temperatura, tlak, i sl., te vršim optimizaciju određenih značajki u cilju dobivanja željenih radnih karakteristika. Na koncu proces rezultira razvojem proizvoda/sustava superiornih performansi pri čemu je umanjen financijski trošak potreban za poboljšanje jer se ispitivanje vrši na računalu, a vrijeme potrebno za izvršiti velik broj proračuna je puno kraće od uobičajene izrade većeg broja prototipa koje je zatim potrebno dugotrajno eksperimentalno ispitivati. Osim računalne analize, bavim se razvojem eksperimentalnih postava i mjerenjima jer su matematički proračuni i eksperimentalna validacija u međusobnoj korelaciji, te je gotovo uvijek potrebno ispitati neočekivane pojave uočene u numeričkom modelu, te ih eksperimentalno verificirati, a u tu svrhu je potrebno modificirati eksperimentalni postav.

Moje područje interesa su obnovljivi izvori energije, poglavito vodikove tehnologije, napose vodikovi membranski gorivni članci, ali se također bavim i značajnim brojem drugih područja u kojima vršim matematičke analize i uspoređujem podatke s mjerenjima koja su radili drugi istraživački timovi (procesi miješanja, analiza hidrauličkih strojeva, analiza materijala s promjenama agregacijskih stanja, modeliranje kemijskih procesa, itd.).

Surađujete s brojnim domaćim, ali i inozemnim ustanovama?

– Što se tiče posebno postignutih rezultata iz područja matematičke i eksperimentalne analize, oni su posljedica moje suradnje s drugim ustanovama u inozemstvu i Hrvatskoj. U suradnji s istraživačima sa Sveučilišta Oxford, UK, te Sveučilišta Jiangsu, Kina (koji su me kontaktirali jer su pročitali moj rad koji im je bio interesantan) radim na razvoju sustava membranskih gorivnih članaka koji se bazira na konceptu varijabilnog temperaturnog polja, koje sam razvio i detaljno obradio u svojoj doktorskoj disertaciji, u spregu s varijabilnom raspodjelom katalizatora (u kojem se između ostalih komponenti nalaze nanočestice skupocjene platine). Tijekom dosadašnje suradnje smo uspjeli postići povećanje maksimalne gustoće struje u gorivnom članku u iznosu od čak 69%, pri čemu smo smanjili količinu platine za 18%, što znači da bi gorivni članak u kojem bi se primijenio novorazvijeni koncept mogao biti značajno manjih dimenzija (i posljedično manjeg ekonomskog troška) i vrlo konkurentan u automobilskom sektoru. Trenutno intenzivno radimo na razvoju nekoliko novih oblika polja strujanja kako bi se postigla dodatna poboljšanja radnih značajki membranskih gorivnih članaka.

Suradnja s Tehničkim sveučilištem u Grazu temelji se na razvoju potpuno novog oblika polja strujanja koje se temelji na biomimetici, oponašanju izgleda kože morskog psa, tzv. shark-skin flow field, pri čemu je rezultatima ispitivanja ustanovljeno da se na taj način mogu značajno poboljšati radne značajke membranskoga gorivnog članka. Dotično istraživanje je napravljeno u sklopu projekta u kojem su glavni partneri automobilski gigant Volkswagen, te najveći privatni institut za ispitivanje toplinskih strojeva AVL List GmbH. Također je razvijen novi sustav za dijagnostiku i prikupljanje podataka tijekom rada gorivnih članaka koji se temelji ne tehnologiji tiskanih pločica i značajno je jeftiniji od sustava za sličnu namjenu koji postoje na tržištu, a za novorazvijeni dijagnostički sustav i senzore se trenutno sastavljaju patentne aplikacije.

U suradnji s istraživačima s Instituta ZSW u Ulmu, Njemačka, razvio sam do sada najkompleksniji i izrazito precizan matematički model membranskih gorivnih članaka koji su kolege s Instituta ZSW validirali rezultatima mjerenja dobivenih neutronskom radiografijom koja koristi nuklearni reaktor kao izvor neutrona za vizualizaciju pojave vode tijekom rada, i kao rezultat naše suradnje otkriveni su uzroci nedostataka uočenih tijekom rada na njihovom svežnju gorivnih članaka koji do tada nisu bili poznati.

Na domaćem projektu STIM-REI radim na razvoju vodikovog mikro-gorivnog članka koji će služiti kao alternativan izvor napajanja za uređaje kao što su, primjerice, umjetne pužnice za osobe oštećenog sluha, “pacemakeri” i sl.

Prednost mikro-gorivnih članaka je mogućnost postizanja potrebnog radnog napona s uređajem značajno manjih dimenzija u odnosu na baterije (dimenzije bi bile reda veličine od nekoliko milimetara, pri čemu su sastavnice u dimenzijama od nekoliko desetaka mikrometara), pri čemu bi takav sustav mogao neometano raditi značajno duže vrijeme kada se usporedi s konvencionalnim baterijama koje se koriste u takvim sustavima, te bi vrijeme punjenja vodika, kojim se uređaj izravno napaja, bilo samo nekoliko minuta. U daljnjim fazama projekta planira se napajanje raznih vrsta senzora kojima bi se na taj način omogućio dugotrajan rad, te kasnije razvoj sustava za mobilne telefone, prijenosna računala i sl.

U 2019. godini objavili ste četiri znanstvena rada ali ste bili i mentor studentskog tima na međunarodnom natjecanju ESTECO. Recite nam nešto o tome?

– Tako je, objavio sam četiri znanstvena rada u međunarodnim časopisima, trebalo ih je biti i više ali sam boravio tri mjeseca na Tehničkom sveučilištu u Grazu, kao istraživač poslijedoktorand, te sam radio na razvoju membranskih gorivnih članaka za automotivne primjene na nekoliko njihovih projekata, što oduzima veliku količinu vremena, pa nisam imao dovoljno vremena za pisanje većeg broja radova, a osim dotičnih radova sam u 2019. imao i 14 konferencijskih radova koji su nastali kao rezultat suradnje s drugim istraživačima.

Bio sam mentor studentima na međunarodnom natjecanju ESTECO koje je bilo tematski vezano za hibridne micro-grid sustave, pri čemu je bio cilj razviti optimalan sustav obnovljivih izvora energije za grad u Indiji. Studenti su osvojili 1. mjesto u konkurenciji 42 sveučilišta iz cijelog svijeta. Moja podrška se očitovala u obučavanju studenata u razvoju naprednih matematičkih modela primjenom računalne dinamike fluida u svrhu analize performansi obnovljivih izvora energije, kao što su aktivno-hlađeni fotonaponski paneli te Arhimedova turbina, pri čemu su studenti dobili posebne pohvale jer su jedini razvili tako kompleksne modele, dok su drugi timovi koristili manje sofisticirane metode.

Što Vam predstavlja nagrada i koji su planovi za budućnost?

–​ Počašćen sam time što sam dobitnik Državne nagrade za znanost za znanstvene novake jer mi to predstavlja priznanje za dosadašnji i veliku motivaciju za daljnji rad. Planiram se baviti daljnjim razvojem sustava s obnovljivim izvorima energije i membranskim gorivnim člancima u suradnji s istraživačima u Hrvatskoj i inozemstvu jer smatram da su membranski gorivni članci budućnost automobilske industrije.