Voda, namenjena za prehrano ljudi (tj. pitna voda) ali za dejavnosti, ki so povezane s človekom (tj. namakanje v kmetijstvu), mora biti prosta različnih škodljivih onesnaževal, ki segajo od kemikalij in organskih spojin do mikrobioloških nevarnosti. Tradicionalno so bile v ospredju raziskav vodnih onasneževal bakterije, medtem, ko so bili človeški in rastlinski virusi zapostavljeni, zaradi pomanjkanja primernih metod za koncentracijo in diagnostiko virusov. V tem projektu smo se tega problema lotili s sklopitvijo dveh tehnologij na inovativen način: hidrodinamske kavitacije in plinaste plazme. S kavitacijo smo zagotovili parni mehur, kjer smo ustvarili plinasto plazmo, bogato z radikali OH, drugimi reaktivnimi vrstami in UV sevanjem. Le-ti so povzorčili oksidacijo virusov na površini mehurja, tako da je bila učinkovitost uničenja večja kot pri obdelavi izključno s kavitacijo ali plazmo. Razširjanje rezultatov projekta bo povečalo ozaveščenost v javnosti, in pri zainteresiranih strankah, o problematiki mikrobioloških agensov v vodi in rešitvah, ki jih ponuja projekt.

Proizvodnja mineralnih vlaken je kompleksen proces z velikim potencialom za izboljšave zaradi pomanjkanja odprtih znanstvenih raziskav. Da bi presegli omejitve industrijskih raziskav mineralne volne je podoktorski projekt prvotno temeljil na izgradnji laboratorijske centrifuge, zmožne proizvesti vlakna iz enakih surovin in pod podobnimi pogoji kot industrijske centrifuge. Proces razvlaknjenja smo opazovali s hitro kamero ter analizirali geometrijske in mehanske lastnosti vlaken. Po objavi rezultatov laboratorijskih eksperimentov so nas podjetja iz ZDA, Kitajske in Vzhodne Evrope povabila, da jim svetujemo glede izboljšanja tehnologije razvlaknjenja, kar je odlična priložnost za prenos znanstvenih spoznanj s tega raziskovalnega področja v industrijsko prakso.

Projekt se bo ukvarjal z razumevanjem kavitacije in njenih neželenih učinkov (predvsem kavitacijske erozije) v različnih tekočinah z integracijo eksperimentalnih in teoretičnih metod s področja mehanike tekočin. Poudarek bo na iskanju povezav med kavitacijo v čisti vodi in kavitacijo v različnih tekočinah. V okviru projekta želimo ugotoviti pomen posameznih reoloških lastnosti tekočin, njihove interakcije in vpliv na proces erozije.

Hladilni sistemi so ena najpomembnejših komponent v elektrarnah. Naloga hladilnega sistema je zagotoviti projektiran podtlak kondenzatorja, ki maksimizira delovni potencial turbine in moč na generatorju. Degradacija hladilnih sistemov zaradi umazanije, staranja ali puščanja zraka vodi do poslabšanja podtlaka v kondenzatorju. Zasnovali smo modularni sistem za merjenje zmogljivosti hladilnega stolpa, ki temelji na nizu stacionarnih senzorjev in nizu senzorjev, nameščenih na mobilnih in avtonomnih merilnih enotah.

V okviru programa IQ DOM smo razvili tehnološke rešitve, ki povezane med seboj tvorijo “Inteligentni dom nove generacije zasnovan na pametnih napravah in lesu”. Tak dom je zgrajen iz človeku prijaznih naravnih materialov – zlasti lesa, ter hkrati predstavlja novo paradigmo na področju prilaganja človeku z neinvazivno umetno inteligenco. Značilnost razvitih tehnologij oziroma končnih gradnikov je integracija, adaptivnost ter napredna, človeku prijazna inteligenca. V programski skupini LVTS smo izdelali pameten hišni sušilni stroj nove generacije.

Celovito smo raziskati »zavržene potenciale biomase« - vse, kar nam postopno izkoriščanje tega avtohtonega naravnega in obnovljivega vira omogoča, pa tega še nismo izkoristili. Subjekti, povezani v raziskovalno-razvojno-produkcijsko obliko krožnega gospodarstva, smo razvili in optimizirali nove, trajnostne tehnologije in postopke, s pomočjo katerih smo se dokopali do uporabnih komponent biomase, ki jih je moč v vrsti proizvodnih panog ─ od kemijske, tekstilne, papirne, lesne in avtomobilske industrije, gradbeništva, inženiringa in energetike ─ integrirati kot okoljsko sprejemljive materiale in izdelke z visoko stopnjo razgradljivosti in možnosti vnovične uporabe. Tako smo zgradili nove verige vrednosti, si odpirli vrata na trg zelenih izdelkov z visoko dodano vrednostjo, krepili konkurenčnost slovenskega gospodarstva, jačali družbene vezi in hkrati konkretno zmanjšali obremenitve za okolje.

Nova onesnažila so snovi, ki so v okolju prisotne že dlje časa, njihova prisotnost in vpliv na okolje pa sta šele v zadnjem času deležna pozornosti. Glavni vir onesnaženja vodnega okolja s temi onesnažili predstavljajo iztoki čistilnih naprav. Čedalje več snovi, ki jih je potrebno nadzorovati v površinskih vodah, med njimi tudi zdravilne učinkovine, se pojavlja na prednostnem seznamu Vodne direktive (WFD, 2000). Pregled literature razkriva, da konvencionalne čistilne naprave, ki uspešno odstranjujejo trdne delce, organske snovi in hranila iz odpadne vode, niso učinkovite pri odstranjevanju teh onesnažil. V predlaganem projektu smo zato razvili učinkovit način spremljanja povprečnih koncentracij prednostnih snovi v vodnem okolju v koncentracijah pod ng/L. Hkrati smo preučili alternativne možnosti čiščenja odpadnih vod, s katerimi bi omejili oz. preprečili vstop ostankov organskih onesnažil v vodno okolje. Zaradi neželenih učinkov, ki ji ostanki novih organskih onesnažil predstavljajo za okolje, smo poiskali ekonomsko sprejemljivo tehnologijo, kot je npr. kavitacija v kombinaciji z UV in TiO2, s katerimi smo te spojine znižali pod mejo, ki še povzroča neželene učinke.

V projektu smo izvedli poskuse v kriogenih tekočinah, kjer smo kavitacijo sprožili akustično – z ultrazvokom. Opisali smo razvoj, dinamiko in erozijo kavitacije na konici ultrazvočne sonde, ki je delovala pri povišanih tlakih v različnih kriogenih tekočinah. Čeprav se mehanizem za ustvarjanje kavitacije v tekočini pri tej metodi razlikuje od mehanizma, ki se pojavlja v pretočnih sistemih in hidravličnih strojih, se predpostavlja, da je mehanizem v bistvu podoben. Podrobno smo raziskali stanje, ki se pojavlja nekako vmes med hidrodinamsko in akustično kavitacijo, in sicer velik kavitacijski mehurček, pritrjen na konico ultrazvočne sonde, ki kolapsira s svojo samogenerirano subharmonično frekvenco (tako imenovana "akustična superkavitacija"), kar je podobno razmeram v inducerju turbočrpalke.

Pojem “kavitacija” opisuje tvorjenje parnih mehurčkov v kapljevini. Parne strukture nastajajo v področju toka, kjer vlada nizek tlak. Tok jih nato odnese v območje z višjim tlakom, kjer lahko silovito kolapsirajo. Koncentracija energije ob kolapsu kavitacijske strukture rezultira v visokih napetostih v materialu, ki lahko presegajo mejo plastičnosti. Dolgo je bila kavitacija obravnavana kot nezaželemn pojav, ki se mu je potrebno izogniti. Danes jo uporabljamo v mnogih procesih (diagnostične in terapevtske aplikacije v medicini, pozizvodnja polprevodnikov, čiščenje voda). Neglede na to ali na kavitacijo gledamo s pozitivnega ali negativnega vidika moramo vedno upoštevati možnost nastanka kavitacijske erozije. Kavitacija, posledično pa kavitacijska erozija je eden najbolj perečih problemov, ki spremlja obratovanje turbin, črpalk, ladijskih vijakov in ventilov. Kljub velikemu napredku v zadnjih letih pa pojav še vedno ostaja slabo razumljen. V okviru predlaganaga projekta smo želeli s prepletanjem teoretičnih, numeričnih in eksperimentalnih pristopov priti do boljšega razumevanja procesov, ki so vključeni v kavitacijsko erozijo.

Cilj biološkega čiščenja odpadnih voda je popolna mineralizacija, oz. pretvorba organskih spojin do ogljikovega dioksida in vode, vendar temu vedno ni tako. Nekatere spojine so namreč biološko nerazgradljive ali zelo slabo razgradljive, zato so za njihovo odstranitev iz sistema ključnega pomena drugi, abiotski postopki čiščenja, kot so npr. membranska filtracija, UV razgradnja, napredni oksidacijski postopki, potencialno možnost pa predstavlja tudi kavitacija. Cilj projekta je izboljšati čiščenje odpadne vode s pomočjo kavitacije. Učinke kavitacije smo raziskovali na dveh nivojih: i) s pomočjo izredno velikih tlakov in temperatur, ki spremljajo kavitacijo, smo želili doseči razbitje težje biorazgradljivih majhnih organskih molekul na lažje biorazgradljive intermediate, ter ii) z razbijanjem večjih delcev smo želeli povečati njihovo aktivno površino, s tem pa pospešiti nadaljnji proces hidrolize in biorazgradnje. Kavitacijo smo sklopili s konvencionalnim biološkim procesom čiščenja in dokazali večji celokupen učinek čiščenja.

Merilne metode za kvantifikacijo kinematskih razmer v hidrodinamskih sistemih (turbinski stroji, cevovodi, prelivi, usedalniki ipd.), ki so sedaj na voljo, omogočajo v večini primerov le omejeno spremljanje hitrostnega polja. Omejitve uporabe obstoječih merilnih metod so posledica njihove kompleksnosti, nezmožnosti zajetja celotnega hitrostnega polja naenkrat, fizične prisotnosti v toku in/ali visoke cene. V projektu razvita metoda za kvantifikacijo hitrostnih polj v hidrodinamskih sistemih temelji na računalniško podprti vizualizaciji in na aplikaciji fizikalnih zakonov dinamike tekočin in prenosa snovi. Skupaj s hkratnim kvalitativnim in kvantitativnim popisom tokovnih razmer (hitrostno in tlačno polje) lahko ta metoda preko ohranitvenih zakonov, kot jih predstavljajo npr. Navier-Stokesove enačbe, omogoča temeljno preučevanje mehanizmov posameznih pojavov oz. tokovnih struktur, kar je novost ne le na področju tokov s prosto površino, pač pa na področju celotne dinamike tekočin.

Optimalno delovanje turbočrpalk je ključnega pomena za vse raketne motorje na tekoče gorivo. Za zmanjšanje teže, te črpalke pogosto delujejo v kritičnih pogojih, kjer sta dinamična nestabilnost in kavitacija neizogibni. V kriogenih motorjih sta uporabljena gorivo in oksidant tekočini, običajno vodik in tekoči kisik pri zelo nizkih temperaturah (približno 14 in 90 K). Prvi rezultat projekta je bil eksperimentalna osnova, ki je vsebovala rezultate termodinamičnega učinka v kavitacijskem toku in njegovega vpliva na dinamiko kavitacije. Druga aplikacija je bila razvoj numeričnega orodja, ki je omogočilo upoštevanje učinkov kavitacijske erozije. Izvedli smo neposredne meritve termodinamičnih učinkov v razvitem kavitacijskem toku.

CROPS je bil velik integracijski raziskovalni projekt FP7 EU na temo Nanotehnologije, materiali in nove proizvodne tehnologije v okviru razpisa Avtomatizacija in robotika za trajnostno gospodarjenje s pridelki in gozdarstvom. Projekt je razvil nabor modularnih orodij za robotske aplikacije v trajnih nasadih. Vodili smo delovni paket o preciznem pršenju, kjer je robotski poršilnik prvič zaznala bolezen, namestil šobo in izvedel pršenje žarišč bolezni.

V današnjem hitrem razvoju svetu velja, da moramo na nivoju družbe za trajnostno skrb za okolje skrbeti med drugim tudi z zadostno količino čiste energije. Vodna energija je med vsemi čistimi viri energije najpomembnejša, vendar je večina vodnih virov v razvitem svetu že izkoriščenih, s pomembno izjemo večine rek z nizkim razpoložljivim padcem. Le te v Sloveniji in Evropi še vedno niso izkoriščane za proizvodnjo energije zaradi visokih stroškov izdgradnje elektrarn. Visok izkoristek teh elektrarn ob znižani potrebni potopitvi omogoča izkoriščanje dodatnih vodnih virov, podobno velja za elektrarne, ki delujejo na principu plimovanja morja. V okviru projekta je bila razvita metodologija za dizajn vodnih turbin, ki bodo obratovale z nizkim padcem in nizko potopitvijo. Z modernimi eksperimentalnimi in numeričnimi metodami smo pokazali, da je možno izboljšati dizajn vodnih tubin za obratovanje pri nizkih padcih in nizkih potopitvah. Za to smo izvedli numerične in eksperimentalne študije kavitacije.

Projekt je bil namenjen razvoju malega fitofarmacevtskega pršilnika za sadovnjake in vinograde. Razvoj je vključeval načrtovanje in izdelavo ultrazvočnega senzorja za detekcijo krošenj. Pršilnik je bil testiran v sadovnjakih in je dokazal zmanjšanje pesticidov v primerjavi s konvencionalnimi modeli pršilnikov.

V praksi se srečujemo z različnimi problemi s področja kavitacije. Učinki, ki jih zasledimo so predvsem vibracije, hrup, erozija, spremembe hidrodinamike toka, povečanje hidrodinamskega upora, svetlobni in termični efekti. Ravno zadnji, termični učinki kavitacije, so še relativno slabo raziskani, a zaradi visokih temperatur na mikroskali zelo pomembni. Kavitacijo smo raziskoval na več nivojih. Sprva smo se posvetil akustični kavitaciji, kjer smo termodinamične učinke opazovali na posameznih mehurčkih. Kavitacijo smo z ultrazvočnim vzbujenjem generirali v majhni posodi. S pomočjo hitrotekoče termovizijske kamere smo analizirali termične efekte v mejni plasti, ki se odvijajo pred in po kolapsu mehurčkov. Sledil je prenos znanja z nivoja posameznega mehurčka na nivo kavitacijskih oblakov, ki smo jih generiral hidrodinamično v okolici osamljenega potopljenega telesa v kavitacijskem tunelu. Z meritvami, ki so predvidene v okviru projekta, smo prvič izmerili in ovrednotili termodinamske učinke, ki so vodili k boljšim in splošnejšim metodam simulacij.

Izvedeni so bili poskusi zmanjšanja zvočne moči obstoječega sušilnega stroja z raziskovanjem aerodinamičnih virov hrupa. Kritične točke smo določili na podlagi meritev prostorske jakosti zvoka in meritev spektra ravni zvočnega tlaka. Spremembe za izdelavo modificiranega sušilnika so vključevale popravke dovodnega območja ventilatorja sekundarnega toka. Upoštevana je bila spremenjena zasnova toplotnega izmenjevalnika. Izmerjene so bile hitrost in akustične lastnosti toplotnih izmenjevalnikov, da bi pomagali pri izbiri toplotnega izmenjevalnika v skladu z aeroakustično teorijo, ki povezuje turbulentna nihanja in ustvarjanje hrupa.

Kavitacija pri hidravličnih strojih predstavlja pereč problem, saj povzroča površinsko erozijo pretočnega trakta, hrup, mehanske vibracije ter spremembe tokovnega polja. Danes na področju odkrivanja kavitacije prevladujejo posredne merilne metode z merjenjem akustične emisije, tlačnih pulzacij, mehanskih vibracij, ipd. Karakteristično za vse navedene metode je njihova posrednost opazovanja kavitacije, ki pa je po svoji naravi vizuelen pojav, zato z omenjenimi metodami pridobimo le posredno informacijo o kavitacijski prostorski strukturi z omejeno točnostjo. V nasprotju s temi metodami je bil namen predloženega projekta razvoj nove, direktne metode opazovanja kavitacije ter njenega monitoringa na vitalnih delih hidravličnih strojev s pomočjo računalniško podprte vizualizacije, ki nam je omogočala simultano spremljanje kavitacije v hidravličnih strojih in izvedbo monitoringa. S tem je bilo omogočeno delovanje hidravličnih strojev v področjih s še dovoljenimi kavitacijskimi pogoji.

Optimalno delovanje hladilnih stolpov termoenergetskih objektov, kot so termoelektrarne, toplarne, jedrske elektrarne, ter termoenergetski sistemi v procesni in petro-kemični industriji, znatno povečuje skupni izkoristek omenjenih postrojenj. Z rekonstrukcijo hladilnih sistemov s pomočjo najnovejših tehnologij lahko pričakujemo znatne ekonomske prihranke ob mnogih ekoloških prednostih. Znotraj tega projekta smo uporabili novo metodo merjenja termodinamskih karakteristik, ki ni zahtevala zaustavitve hladilnih stolpov. Pričakovano povečanje izkoristka sistema pri rekonstrukciji hladilnega stolpa smo ocenili na od 1.5 do 2 % glede na izhodno moč objekta, kar glede na velike izhodne moči termoenergetskih postrojenj predstavlja velik prihranek energije in finančnih sredstev.