Dzięki udziałowi w projekcie NAWA do Polski wróciła dr hab. inż. Sabina Rosiek-Pawłowska, prof. uczelni. Badaczka przez 15 lat pracowała na Uniwersytecie w Almerii i w Solar Energy Research Center. Na naszej uczelni właśnie zaczęła czteroletni projekt opracowania nowego sposobu chłodzenia dla przemysłu mleczarskiego.

Prof. Rosiek-Pawłowska kilka miesięcy temu zaczęła pracę na Wydziale Mechaniczno-Energetycznym naszej uczelni. Wcześniej przez 15 lat pracowała w hiszpańskiej Almerii – na tamtejszym uniwersytecie i w prestiżowym ośrodku Solar Energy Research Center (CIESOL), będącym częścią Platforma Solar de Almería. PSA to największe centrum w Europie i jedno z dwóch na świecie na szeroką skalę prowadzące badania i testy związane z technologiami solarnymi. Powstało właśnie w Almerii, bo jest to miejsce, w którym każdego roku obserwuje się ponad trzy tysiące słonecznych godzin, co umożliwia aplikacje i testowanie systemów oraz procesów opierających się na wykorzystaniu energii słonecznej.

NAWA umożliwiła powrót

W Almerii profesor (najpierw jako doktorantka, a potem pracownik naukowy) uczestniczyła w dziewięciu projektach badawczych, w części jako menedżer lub główny wykonawca. Współpracowała z wieloma hiszpańskimi firmami i zagranicznymi instytucjami, organizowała międzynarodowe konferencje i przygotowywała w konsorcjach naukowo-przemysłowych liczne międzynarodowe i interdyscyplinarne projekty badawczo-wdrożeniowe.

- Zdobyłam ogromne doświadczenie i bardzo wiele się nauczyłam. To był intensywny czas, który pozwolił mi się rozwinąć i zyskać cenne kontakty – opowiada badaczka. – Z powodów osobistych chciałam jednak wrócić do Polski. Zauważyłam również, że w naszym kraju tematyka związana z odnawialnymi źródłami energii czy w szczególności chłodzeniem alternatywnym, którym się zajmowałam, dopiero się rozwija. Myślę, że mogę się tu przydać. Mam wiele pomysłów na badania, które możemy realizować na naszej uczelni.

Do kraju profesor wróciła dzięki programowi Narodowej Agencji Wymiany Akademickiej. Instytucja oferuje granty dla polskich naukowców pracujących w zagranicznych instytucjach naukowych, którzy chcą swoją wiedzę i doświadczenie wykorzystać w Polsce, tworząc własną grupę badawczą lub włączając się w badania prowadzone w już działających zespołach naukowych.

Ważny problem stresu krów

Prof. Rosiek-Pawłowska w nowo utworzonej Katedrze Termodynamiki i Odnawialnych Źródeł Energii zaczęła więc czteroletnie badania „RadMAT: Radiative Water Mattress”, na które pozyskała 1,6 mln zł grantu jako kierownik projektu finansowanego przez Narodową Agencję Wymiany Akademickiej w ramach Programu Polskie Powroty 2018. Do współpracy wybrała (w procedurze konkursowej) absolwentki Wydziału Mechaniczno-Energetycznego naszej uczelni: Jagodę Błotny i Kamilę Gębarowską. Swoje badania w ramach projektu opiszą później w pracach doktorskich, napisanych pod opieką prof. Rosiek-Pawłowskiej. Zespół zamierza opracować i przetestować nowy system chłodniczy, który pozwoli zniwelować stres cieplny u krów.

- W naszym kraju ciągle jeszcze tkwimy w przekonaniu, że najważniejsze jest zapewnienie ogrzewania ze względu na warunki klimatyczne, w jakich żyjemy. Tymczasem klimatyzacja staje się równie ważna, bo latem musimy mierzyć się ze skutkami długotrwałych okresów bardzo wysokich temperatur. Wpływa to na wiele aspektów naszego życia i na naszą gospodarkę, w tym także sektor rolniczy. Rozwijanie efektywnych systemów chłodzenia (opartych na przyjaznych środowisku technologiom) dla rolnictwa to z pewnością jeden z bardzo przyszłościowych kierunków badań – tłumaczy prof. Rosiek-Pawłowska.

Projekt z matami wodnymi to efekt rozmów badaczki z firmą z sektora energetycznego. Przedsiębiorstwo zgłosiło się kilka lat temu do prof. Jacka Kasperskiego z Katedry Mechaniki, Maszyn, Urządzeń i Procesów Energetycznych na Wydziale Mechaniczno-Energetycznym, a profesor przekazał kontakt prof. Rosiek-Pawłowskiej. - Nawiązaliśmy krótką współpracę, w czasie której firma wskazała na duży problem z regulacją temperatury w gospodarstwach hodowlanych krów mlecznych. Zaczęłam później zgłębiać temat chłodzenia takich przestrzeni, które ze względu na konstrukcję są trudne do klimatyzowania – opowiada profesor.

Obecnie chłodząc przestrzeń użytkowaną przez zwierzęta, stosuje się tradycyjne metody takie jak zraszacze, dysze mgielne i wentylatory. Powodują one znaczny pobór energii elektrycznej i wody, co podnosi koszty eksploatacyjne. Chłodzenie jest jednak bardzo ważne w kontekście niwelowania występującego u krów stresu cieplnego.

- Ma on poważne konsekwencje dla tych zwierząt, a co za tym idzie także dla branży mleczarskiej – podkreśla profesor. – Letnie ekstremalne warunki pogodowe stały się już nie wyjątkową sytuacją, a czymś niemal pewnym. W czasie takiej fali upałów krowy przegrzewają się, a gdy robi się chłodniej, zwierzęta potrzebują nawet kilku dni, by dojść do siebie. Tym bardziej, jeśli w nocy temperatura nie spada poniżej 20 stopni C, bo nawet wtedy nie mogą odpocząć.

Przemiany metaboliczne krowy i przekształcanie składników odżywczych w mleko są procesami egzotermicznymi. Kiedy zwierzę zaczyna wydzielać więcej ciepła niż jest w stanie pasywnie oddać do otoczenia, podlega zjawisku stresu cieplnego. Krowa zaczyna się intensywnie pocić, a jej oddech przyspiesza, co pozwala jej oddać więcej ciepła do otoczenia w procesie parowania wody. Przyjmuje też częściej pozycję stojącą, bo ułatwia jej to opływ powietrza i tym samym zwiększa wymianę ciepła poprzez konwekcję.

By ograniczyć ilość ciepła emitowanego w procesach metabolicznych, zwierzę zaczyna też jeść mniej paszy, a jednocześnie wzrasta jego zapotrzebowanie na energię. Efekt jest taki, że produkuje od 10 do 25 proc. mniej mleka. Krowa wybiera wtedy najbardziej treściwe elementy paszy, omijając te mniej kaloryczne, a to prowadzi do zakwaszenia jej organizmu (to tzw. letnia kwasica) i niezrównoważonej gospodarki mikroelementami.

- Wszystko to skutkuje zmianami hormonalnymi i zahamowaniem reprodukcji – opowiada prof. Rosiek-Pawłowska. – Obniża się także jakość mleka, które ma mniejszą niż zwykle zawartość tłuszczu i białek. Ważnym skutkiem zdrowotnym dla krowy jest też spadek jej odporności. Dla producenta mleka cała ta sytuacja oznacza długotrwałe konsekwencje finansowe.

Woda odbierze ciepło

Optymalna temperatura otoczenia dla krowy to między 8 a 16 st. C – w zależności od wilgotności i przepływu powietrza. Reakcje ciała związane z termoregulacją zaczynają się pojawiać przy 20 st. C. Jak zatem utrzymać niższą temperaturę, jednocześnie nie generując wysokich kosztów chłodzenia?

Rozwiązaniem mogą być chłodzące maty wodne. Jak podkreśla prof. Rosiek-Pawłowska, same maty nie są niczym nowym w sektorze hodowlanym. Wykorzystuje się je w oborach od lat, zapewniają bowiem komfort krowom, które chętniej leżą na tych miękkich podłożach, dostosowujących się do ich kształtów, niż na legowiskach pokrytych słomą. Nowością jest zastosowanie ich do obniżania temperatury. Do tej pory tylko jedna firma na świecie – we Francji – podjęła próbę stworzenia takiej maty. Nasze badaczki chcą jednak opracować własne rozwiązanie, skupiające się na intensyfikacji procesów wymiany ciepła oraz znalezieniu optymalnego rozwiązania konstrukcyjnego odpowiadającego na potrzeby zwierząt.

Zespół prof. Rosiek-Pawłowskiej zamierza wykorzystać istniejący produkt, w postaci maty wodnej (wybiorą taki, który najlepiej nada się do rozbudowania), tworząc prototyp swojego rozwiązania. Połączy on matę wodną z zamkniętym, wodnym systemem chłodzenia. W układzie tym, na skutek różnicy temperatur, nastąpi przepływ ciepła między krową a krążącym w instalacji płynem, co złagodzi stres cieplny u zwierzęcia.

Najpierw symulacje, potem eksperymenty

Zanim to jednak nastąpi, badaczki stworzą numeryczny model maty wodnej i przeprowadzą symulację jej pracy w różnych warunkach.

- Analiza wyników da nam informację o ilości ciepła wymienianego między krową a otaczającym je środowiskiem – tłumaczy prof. Rosiek-Pawłowska. – Korzystając z tych informacji, zbudujemy już laboratoryjne stanowisko badawcze z matą zmodyfikowaną na nasze potrzeby. Przeprowadzimy szereg eksperymentów, które pozwolą nam określić skuteczność działania naszego rozwiązania i jego bezpieczeństwo. Dopiero wtedy przejdziemy do testowania prototypu na farmie mlecznej. Ulokujemy cztery krowy w kontrolowanej klimatycznie oborze. Dwie będą mogły odpoczywać na chłodzących matach wodnych, a dwie będą leżały na takich samych matach, ale bez rozwiązania odbierającego ciepło. Będziemy kontrolować ich wydajność mleczną, spożycie suchej paszy, temperaturę i szybkość oddechu. Analiza tych danych i obserwacja krów – tego, czy chętnie kładą się na matach i ile czasu na nich spędzają – pozwoli nam zmodyfikować maty tak, by jak najlepiej odpowiadały ich potrzebom.

Profesor zaznacza, że ważnym aspektem ich projektu jest zapewnienie bezpieczeństwa zwierzętom – tak by nie doszło do wyziębienia krowy i zapalenia wymienia, co jest bardzo bolesne dla tego zwierzęcia, wpływa na jego samopoczucie i na jakość produkowanego przez nie mleka.

- To projekt interdyscyplinarny, obarczony wysokim ryzykiem, będziemy bowiem pracować z żywymi organizmami, których reakcji nie sposób przewidzieć, ale prowadzący do ważnych odkryć w sektorze hodowlanym – podkreśla.

W ostatnim etapie zespół zajmie się znalezieniem najlepszego źródła chłodu dla opracowanego systemu, tak by był w stanie odbierać ciepło z mat w oborze, w której może przebywać nawet kilkaset krów. W pierwszych etapach projektu – dla prototypowej instalacji – badaczki będą bowiem wykorzystywać niewielki, standardowy agregat chłodniczy. Później poszukają rozwiązania, które będzie bardziej przyjazne środowisku i pozwoli obniżyć koszty chłodzenia.

- Dopiero zaczynamy nasz projekt, ale już obserwujemy ogromne zainteresowanie nim, zarówno ze strony producentów mat, jak i przemysłu mlecznego – mówi prof. Rosiek-Pawłowska. – To potwierdza, jak dużym wyzwaniem jest utrzymanie krów w komfortowej dla nich temperaturze.

Skąd Almeria?

Rozpoczęcie pracy prof. Rosiek-Pawłowskiej na Politechnice Wrocławskiej jest powrotem na macierzystą uczelnię. Naukowiec jest bowiem absolwentką naszego Wydziału Elektroniki. Na ostatnim roku studiów skorzystała z programu Erasmus, dzięki któremu spędziła dwa semestry na Uniwersytecie w Almerii i zainteresowała się badaniami aplikacji energii słonecznej w różnych dziedzinach (m.in. energetyce termicznej i fotowoltaice). Po obronie pracy magisterskiej została stypendystką Programu Leonardo Da Vinci, dzięki czemu ponownie wyjechała do Hiszpanii na półroczną praktykę pod okiem prof. Francisco Javiera Batllesa Garrido. To on zaproponował jej pozostanie w Almerii, pracę w jego grupie badawczej „Solar Resource Assesment Group and Solar Cooling” i przygotowanie tam doktoratu.

Rosiek-Pawłowska dołączyła do hiszpańskiego konsorcjum naukowego (23 konsorcjantów) PSE-ARFRISOL realizującego projekt „Architektura bioklimatyczna i chłodzenie słoneczne” . Był to specjalny projekt finansowany przez hiszpańskie ministerstwo, o budżecie 50 mln euro, trwający osiem lat (2005-2012). Naukowcy badali wydajność energetyczną pięciu budynków biurowych – nowych i wyremontowanych – w różnych lokalizacjach w Hiszpanii. Udowodnili, że przy użyciu konkretnych strategii pasywnych i aktywnych oszczędzania energii z wykorzystaniem OZE możliwe było zmniejszenie poboru prądu w tych budynkach nawet o 80 proc.

Prof. Rosiek-Pawłowska realizowała także inne projekty badawcze (m.in. stworzenie autonomicznej chłodni dla warzyw i owoców zasilanej odnawialnymi źródłami energii, zastosowanie nowych materiałów zmiennofazowych do akumulowania energii w systemach chłodniczo-grzewczych zasilanych energią słoneczną (PCMSOL EU) czy wykorzystanie odzyskanego z oczyszczalni ścieków ciepła w systemach chłodniczo-grzewczych (THERBIOR EU).

Z czasem prof. Rosiek-Pawłowska stała się pełnomocnikiem naukowo-technicznym dyrektora CIESOLu, sprawując opiekę nad infrastrukturą energetyczną centrum. Przez ponad 10 lat była odpowiedzialna za organizację i udział w krajowych, a także międzynarodowych wydarzeniach promujących CIESOL, prowadząc liczne seminaria oraz szkolenia dla uczniów ze szkół średnich, studentów różnych kierunków, przedstawicieli przemysłu, hiszpańskich i międzynarodowych jednostek naukowo-badawczych, a także przedstawicieli hiszpańskiego Ministerstwa Gospodarki i Konkurencyjności.

- Mam nadzieję, że te kontakty zaowocują także w pracy na Politechnice Wrocławskiej. Myślę o tym, że możemy stać się jednym z centrów badawczych związanych z energią odnawialną, prowadzącym międzynarodowe projekty – przekonuje profesor. – Mamy tu świetnych naukowców i właśnie pracujemy nad nowym laboratorium odnawialnych źródeł energii, którego kierownikiem jest dr inż. Magdalena Nemś. Na pewno będziemy szukać możliwości finansowania wielu projektów związanych z tą tematyką.

Lucyna Róg