Projekt mechatroniczny: wydajność i trwałość energetyczna

-- środa, 18 marzec 2009

W XXI wieku nasz naród, a nawet cały świat, stoi w obliczu zniechęcających wyzwań związanych z energią i środowiskiem. Oszczędzanie energii i trwałość to jedne z najbardziej istotnych powodów rozważenia projektów opartych o mechatronikę – zintegrowanego podejścia z jednoczesną optymalizacją wszystkich elementów składowych systemu – systemu fizycznego, czujników, urządzeń uruchamiających, elektroniki, sterowników i komputerów (patrz poniższy rysunek).

„Nowoczesny Wielodyscyplinarny System Inżynieryjny: System Mechatroniczny”.

Około miliard osób, które zamieszkują rozwiniętą część świata, zużywa surowce i wytwarza nieprzyjazne dla środowiska odpady w tempie na osobę 32 razy większym od wartości wytwarzanej przez pozostałą część mieszkańców świata (5,5 miliarda) w krajach rozwijających się. Ta opinia, wygłoszona przez prof. Jareda Diamonda z Uniwersytetu Kalifornijskiego, naprawdę mnie zadziwiła. Jest rzeczą naturalną, że osoby niewiele zużywające pragną korzystać z wysoce konsumpcyjnego stylu życia. Jeśli wszyscy mieszkańcy rozwijającej się części świata zapragnęliby się nagle dołączyć do tej tendencji, światowe tempo zużycia zwiększyłoby się aż jedenaście razy. Nasza ziemia po prostu nie jest w stanie sobie z tym podołać. Stabilny wynik mógłby jedynie zostać osiągnięty, gdyby wszystkie kraje wspólnie założyły tempo zużycia będące znacznie poniżej obecnych najwyższych poziomów, które są po prostu niemożliwe do utrzymania. Standardy życiowe nie są ściśle powiązane z poziomem zużycia. Spora część zużycia to po prostu marnotrawienie bez związku z jakością naszego życia. Świat przeżywa poważne problemy związane z zużywaniem i generowaniem odpadów, lecz inżynierowie – a przede wszystkim inżynierowie mechatroniki – powinni stać się światowymi przywódcami w redukowaniu zużycia i zanieczyszczenia dzięki rozwijaniu alternatywnych źródeł energii, produktów energooszczędnych, technologii zmniejszających zanieczyszczenia oraz nowych podejść projektowych.

W celu zmniejszenia tarcia i zużycia w maszynach, które przede wszystkim prowadzą do zużywania energii, konieczne jest stosowanie w projektach właściwego połączenia geometrii, materiałów i smarowania, tzn. odpowiedniego podejścia tribologicznego. Można przyjąć, że właściwe stosowanie tribologii w całym przemyśle amerykańskim umożliwiłoby osiągnięcie oszczędności na poziomie 500 miliardów dolarów rocznie. Oszczędzanie surowców i energii oraz zmniejszanie wpływu na środowisko dzięki zapewnianiu optymalnych praktyk projektowania i eksploatacji, obejmujących cały cykl życia maszyny, to dwa najważniejsze aspekty w tym zakresie.

Najbardziej obiecującym alternatywnym źródłem energii jest wydajność energetyczna. Maszyny powinny mieć lepsze osiągi przy mniejszym zużyciu energii, a wydajność warunkowana jest odpowiednią współpracą wielu elementów składowych systemu. Podobnie jak w przypadku wszelkich innych zmiennych projektowych, z wydajnością wiąże się również odpowiednia cena. Należy jednak pamiętać o tym, że jeszcze większe koszty powstają, gdy wydajność jest lekceważona, co często podkreśla pisarz Larry Berardinis. W niektórych przypadkach, jak na przykład w systemach mobilnych albo zasilanych baterią, troska o tego rodzaju brak wydajności bezustannie napędza proces projektowy. W innych przypadkach, np. przy sprzęcie przemysłowym, wydajność może nie wydawać się aż tak ważna. Tak się dzieje do chwili, gdy rozważymy wzajemne zależności między nadmiernym ciepłem a brakiem precyzji, wibracją a przedwczesnym zużyciem, cyklami termicznymi a okresem użytkowania, zużyciem energii a rentownością. Wydajność ma ogromne znaczenie, a w przypadku systemów ruchu stanowi pewnego rodzaju wspólną właściwość, która wynika z wielu właściwie współpracujących elementów składowych.

Inżynierowie mechatroniki będą przewodzić w kwestiach innowacji. Recycling produktów w obiegu otwartym, wiążący się z utratą wartości, powinien zostać zastąpiony cyklem zamkniętym, w którym produkty można łatwo rozebrać, posortować i zwrócić do strumienia wytwarzania bez straty wartości poszczególnych elementów. Takie podejście do projektu typu cradle-to-cradle (od kołyski do kołyski), stworzone przez architekta W. McDonough i chemika M. Braungart, zastępuje toksyczne jednokierunkowe przepływy materiałów typu cradle-to-grave (od kołyski po grób).