Електромагнитно екраниране

Възможности на графена и хибридните материали

Електромагнитното екраниране на сгради винаги е било „запазена марка“ за специфични случаи – болнични кабинети за образна диагностика, лаборатории и други специални приложения. Днес нуждата от електромагнитно екраниране става все по-голяма на все повече места. Разраства се и спектърът от технологии, които участват в подобни проекти. Традиционно електромагнитното екраниране на сгради се използва за защита на съдържанието на помещение или на предмети, включващо предотвратяване на навлизане на влияния, или за защита на всичко извън дадено помещение, като предотвратяване на излизане на лъченията.

Текст: списание Строители

Екранирането се прилага в сгради за защита на хората и оборудването от въздействието на източници на различни лъчения. Най-често подобен вид защита се използва в медицинските и зъболекарските помещения и изследователските лаборатории поради чувствителността на специалното оборудване, използвано там. В днешно време обаче екранирането става все по-интересно за все по-широк кръг потребители, включително и за бизнес и жилищни сгради. Какво обуславя тази промяна? Кибер-сигурността е една от причините, които стават фактор за нуждата от електромагнитно екраниране. Почти всяко обитаемо пространство днес има безжична Wi-Fi мрежа.

Домовете не правят изключение. Но сигналите, които се носят по въздуха, правят мрежите уязвими за злонамерени лица. Когато собствениците на въпросните пространства държат на кибер-сигурността си, особено ако в мрежите се движат чувствителни данни, може да пожелаят да защитят Wi-Fi комуникациите си чрез екраниране на пространството.  Възходът на новото поколение автомобили с електрическо задвижване тепърва ще мотивира мнозина да мисля за електромагнитно екраниране. Със своите огромни и мощни батерии електромобилите неизбежно са и източник на силно електромагнитно поле. Това е причината, поради която някои производители дори решават да премахнат радиото в електромобила – смущенията пречат на улавянето на радиовълните.

Какво би било въздействието на подобно силно електромагнитно поле върху човешкото здраве е рано да се каже, но вече се знае, че добрите практики в строителството изискват всички източници на ЕМ полета да са колкото се може по-далеч от човешките тела. Към тази новозараждаща се тенденция следва да се добави и друга подробност. Все повече се работи по технологии за безжично зареждане на електромобилите. Обещанието на индустрията е, че ще можем да паркираме е-колите си в гаражите и няма да е нужно да правим каквото и да е, защото индукционна подложка, вградена в пода, ще зарежда батерията на колата. С очакваното навлизане на подобно безжичното зареждане проблемът с електромагнитните полета в жилищните и бизнес-сградите ще стане още по-голям.

Фактор, който ще влияе на пазар на решения за ЕМ екраниране, е и насищането на ефира с електромагнитни въздействия. Бързото разгръщане на мобилните комуникационни мрежи постави на масата въпроса за тяхното влияние върху човешкото здраве, особено сега, когато се изграждат пето поколение мрежи с микровълнов тип лъчение. В научната и в медицинската общност липсва консенсус относно ползите и вредите за човешкото здраве. Проучвания относно влиянието на новото поколение сигнали са малко и недостатъчни.

Екипи от учени и държавници често призовават за щателно изследване на ефектите от телеком-мрежите върху човешкото здраве, преди да се дават разрешения за изграждането на мрежите. Показателно е, че много кантони в Швейцария все още поддържат мораториума върху изграждането на 5G, наложен през 2019г. Междувременно голяма група евродепутати неколкократно призова за финансирането на подробно изследване за ефектите върху здравето и околната среда от въвеждането на новия вид мрежи. Техният аргумент е, че към момента ЕС не разполага с оценка на риска за човешкото здраве от въвеждането на 5G технологията. Всичко това кара все повече хора, собственици на жилища, на жилищни сгради и на бизнес-сгради да се интересуват как да намалят многобройните електромагнитни полета в пространството, в което хората прекарват значително време.

Промени в архитектурния екип

Поради нарастващото значение на електромагнитното екраниране някои специализирани източници дори посочват, че вече е наложително във всеки екип, свързан с планирането на бъдещи нови сгради, да участва експерт-физик. Неговата специална задача е да предвиди защитата от електромагнитни въздействия. Ако някога това е било необходимо само за създаването на специализирани помещения и сгради, днес то е важно за все по-широк кръг постройки. Един от аргументите против въвеждането на ЕМ защитата като интегрална част от проектирането и изграждането на нови сгради е оскъпяването на проектите. Тази теза е спорна. Част от експертите в сферата на екранирането са категорични, че при навременно планиране ЕМ защитата не би утежнила крайната стойност на сградите.

Подходи

Екранирането от електромагнитни смущения обикновено се постига пасивно чрез „обвиване“ на пространствата със защитаващ материал. Има и опции за активно екраниране, при които система за компенсиране непрекъснато измерва електромагнитните полета на пространството и генерира балансиращи полета, които да противодействат на вредните полета. Поради тяхната цена и необходимостта от редовна поддръжка, активните системи са запазени за ситуации, в които пасивните системи се оказват неадекватни. Важно при пасивната защита е всичките страни на помещението да са правилно екранирани и „обвивката“ да е цялостна, тъй като електромагнитните полета се простират във всички посоки, а не се движат по „линия на видимост“ подобно на йонизиращото лъчение. Това означава и, че всички прорези в защитния слой (прозорци, врати) следва да бъдат правилно защитени.

Материали и методи

Най-лесният вариант за екраниране е полагането на тънки листове от проводими материали, например мед, алуминий или метални сплави. Разновидност на този подход е полагането на решетъчни (мрежести) слоеве от проводящи материали. И в двата случая целта е да се образува „клетка“ от металическо покритие.  Мрежите могат да бъдат включени в строителните материали по време на строителни или ремонтни работи и да бъдат вградени в почти всяка съществуваща структура. Те са удобни за външно приложение, огъват се лесно са и са устойчиви на замръзване и гниене. Могат да се монтират в стени или бетонни конструкции, под керемиди и др. По-леките мрежи могат да бъдат закрепени чрез телбод, фиксирани чрез дървени рамки или залепени върху гладък бетон или други основи. 

Специално внимание заслужават прорезите в сградната обвивка – прозорците и вратите. При тях защитаващият материал обикновено се оформя като фина мрежа, текстил или фолио.  Текстилната екранировка е най-простият метод за драстично намаляване на интензитета на електромагнитното излъчване, влизащо в сградата през прозорците, отворени или затворени. Изработват се от специално произведена екранираща тъкан. Екраниращите тъкани се правят от полиестерни или памучни нишки, изтъкани с микрофини сребърни/медни нишки. Металните нишки са покрити с лак, поради което материалът няма повърхностна проводимост. Тъканите имат вид и усещане като стандартен мрежест материал за завеси и се обработват по същия начин за производството на завеси, както и „мрежи против комари“ за защита на леглата от електромагнитно излъчване.

Фолиото за прозорци също попада в арсенала на средствата за защита от ЕМ влияния. Прозорците могат да бъдат защитени с помощта на прозрачни, проводими самозалепващи фолиа. Те се предлагат в различни вариации, оптимизирани за пропускливост на светлината или ефективност на екраниране според изискванията на конкретното място. Нерядко фолиата са по-подходящи за алуминиева дограма и понякога съществува уговорката, че не трябва да се използват върху топло-отразителни стъкла.

Препоръчва се подобни екраниращи системи да са свързани към електрическо заземяване за лична безопасност и за предотвратяване на генерирането на нискочестотни електромагнитни полета чрез свързване на полето с електрическата система на сградата. Значителна част от новите разработки в областта на екранирането са свързани със създаването на проводими материали, които се нанасят лесно под формата на боя – с валяк или спрей-пистолет. Тяхното предимство е в гъвкавостта. Боята може да покрие фини и сложни геометрични форми, за разлика от листовете и мрежите.  През последните години изследователски екипи от цял свят разработват и екраниращи материали под формата на мазилка или пяна – мек материал, който може да се формова, за да пасне на различни форми и дизайни. 

Материали

Металните покрития са най-добре познати в света на технологиите за екраниране. Най-често използвани са мед и алуминий, но също така се прилагат стомана и различни метални сплави. Подходящи за екраниране са още никел, цинк, калай. В зависимост от състава някои сплави могат да са устойчиви на корозия, което ги прави желани. С течение на времето и металните оксиди са се доказали като полезни в приложенията за ЕМ екраниране. Поради изключителните свойства на металните оксиди учените съобщават за подобрение в ЕМ екранирането и реакцията на абсорбция на тези материали. Все пак за синтез на метални оксиди нерядко е сложен и те са скъпи, което изисква търсенето на по-просто и рентабилно решение за разработването на ЕМ защити. 

Въглеродът като проводим материал също участва в редица решения за електромагнитно екраниране. Неговото предимство е, че може да се предлага под формата на гъвкави материали, например пяна или боя.  Ефективно и лесно приложимо решение както за вътрешно, така и за външно екраниране е нанасянето на специално проектирана електропроводима боя върху стените и таваните. Проводимата боя може да има различия в състава, но общото е, че съдържа въглеродни частици, съчетани с акрилно свързващо вещество. Предимството на този подход е, че не се съдържат металически елементи и следователно покритието е силно устойчиво на корозия.

Обичайно боята се нанася с валяк (може и като спрей) подобно на стандартната декоративна емулсионна боя за стени. Проводимият слой боя, който често пъти е черен заради въглерода, може впоследствие да бъде покрит с един или два слоя декоративна боя за стени или фасада. Материалът обичайно е водоустойчив и показва висока адхезия към много стандартни строителни и декоративни материали като цимент, гипс, зидария, емулсионна боя за стени и др. Обичайно производителите се стараят боите да не съдържат токсични разтворители, пластификатори или други отровни съставки.

Съвременна разновидност на въглерода, която се очертава като обещаваща в сферата на електромагнитната защита, е графенът. Това е въглероден слой с дебелина един атом. За разлика от методите за ЕМ екраниране на база метал, който е тежък, графеновите материали са леки и това ги прави интересни за приложение в света на ЕМ защитата. Графенът има отлична проводимост, поради което част от разработките на база този материал са за ултра-леки и компактни антени: големи колкото нокът и тънки като ципа. Приложен в електромагнитната защита, той съчетава редица предимства като ниско тегло, устойчивост на корозия, гъвкавост и удобство при обработката. Най-често графенът се прилага под формата на съставка в друг материал. Това може да са т. нар. нанокомпозити или пък аерогел. Експериментира се и с вграждането на графен в полиуретан (наричан още нано-въглерод). 

Значителна част от съвременните изследвания са съсредоточени върху хибридни материали: такива, които съчетават въглерод и метални оксиди. Провежданите досега лабораторни изследвания говорят за отлични способности за поглъщане на микровълновите лъчения (каквито са сигналите на съвременните телеком мрежи). 

Глината също е материал, способен да предпазва от електромагнитни въздействия. Макар че проучванията в тази област са по-оскъдни, знае се, че глинените стени защитават от електромагнитни излъчвания три пъти по-добре от тези, построени от бетон. Защитните свойства на глината кореспондират с дебелината на глинения слой – колкото по-дебел е пластът, толкова повече предпазва от лъчения. Има основания да се смята, че колкото по-червена е глината, толкова по-силни са нейните екраниращи свойства. Това може да се обясни с високото съдържание на желязо и железни съединения в червените скали и глини. На тази база се разработват и различни нови материали, съчетаващи глина с полимерни съединения за формирането на гелове и пяна, лесни за нанасяне върху всякакви повърхности. 

Пазарно развитие

Пазарът на техника и материали за ЕМ екраниране расте и ще расте стабилно през идните години. Той ще нарасне от обем от 6,6 милиарда долара в края на 2022г. до 8,6 млрд. долара през 2027г., при среден годишен темп на растеж от 5,4% за прогнозния период, смятат пазарните наблюдатели от Research And Markets. Най-популярни ще останат металните системи за екраниране. Фактор за развитието на новото поколение материали за екраниране ще е развитието на пазара на потребителска електроника.

Мобилните телефони и таблети се нуждаят от проводящи пластмаси, за да избегнат вредното ЕМ лъчение. Все пак прогнозата е, че автомобилната индустрия ще бележи най-големия растеж на пазара за ЕМ защита през идните 5 години. Бързо променящата се глобална автомобилна индустрия се отличава с голямо търсене на решения за екраниране поради наличието на различни електронни устройства и компоненти, използвани в различните автоматизирщи системи на превозни средства.