Włókno węglowe jest przede wszystkim stosowane ze względu na swoją lekkość, cenione za jego wytrzymałość i sztywność. Ale kiedy Leif Asp patrzy na materiał, widzi okazję, aby wykonać podwójną pracę w sposób, który może radykalnie poprawić wydajność samochodów i samolotów.
„Akumulator jest pasożytem strukturalnym” - mówi inżynier i profesor z Chalmers University of Technology w Szwecji, co oznacza, że zwiększa masę i efektywność spłukiwania, nie wpływając jednocześnie na wytrzymałość fizyczną i strukturę napędzanego samochodu. Ale co, jeśli pojazdy byłyby zbudowane z akumulatorów?
Właśnie tam Asp naprawdę korzysta z tej technologii. Chce zobaczyć samochody, samoloty, łodzie, a nawet smartwatche i inną elektronikę użytkową wykonaną z materiału, który działa zarówno jako ciało, jak i źródło energii - coś znanego jako „akumulator strukturalny”. Samochód z akumulatorami strukturalnymi może ważyć do 50 procent mniej niż typowy EV, który ma pod spodem ciężkie akumulatory litowo-jonowe.
To nie jest wiadomość, że włókno węglowe ma właściwości elektrochemiczne. Podobnie jak grafit, materiał może, w pewnych konfiguracjach, przewodzić. Naukowcy z Chalmers University of Technology złożyli wniosek o amerykański patent na baterię wykonaną z włókna węglowego, ale wprowadzenie jej na rynek okazało się trudne dla niewielkiej liczby osób badających ten pomysł. Nowe badania przeprowadzone przez zespół Asp zidentyfikowały szczególny aspekt materiału, który sprawia, że jego potencjalne wykorzystanie jako baterii konstrukcyjnych jest o wiele bardziej realistyczne.
Leif Asp z szpulką z przędzy z włókna węglowego (Johan Bodell, Chalmers University of Technology) Jednak cały węgiel nie jest równy, a różne rodzaje węgla mają różne właściwości, dzięki czemu można je stosować do różnych zastosowań. Asp ma na celu zrozumienie, jak się zachowuje i dlaczego, i zastosowanie tego do aplikacji strukturalnych.
„Włókna węglowe dostępne na rynku zostały wykonane do zastosowań strukturalnych lub elektrycznych” - mówi. Najbardziej znane są zastosowania strukturalne, od węgla, z którego składają się rowery i inne mocne, lekkie produkty, ale czasem komponenty elektryczne są również wykonane z tego materiału, aczkolwiek innego rodzaju. Uważa, że istnieje węgiel, który może zrobić jedno i drugie.
W swoich najnowszych badaniach Asp i jego współpracownicy porównali trzy kompozyty i zbadali je za pomocą mikroskopii elektronowej i spektroskopii laserowej. Wbudowali włókno w akumulatory, przyjrzeli się wielkości i orientacji połączonych ze sobą kryształów atomów węgla oraz porównali sztywność, wytrzymałość i właściwości elektrochemiczne różnych materiałów. Mniejsze kryształy o bardziej zdezorientowanej strukturze są zwykle bardziej reaktywne elektrochemicznie - to znaczy, że są bardziej zdolne do przyjmowania, przechowywania i uwalniania elektronów, a zatem działają jak baterie. Jednak te rodzaje węgla są mniej sztywne niż te z kryształami, które są dłuższe i ustawione w jednej linii. (Tak czy inaczej, są bardzo małe; Asp porównywał włókno z kryształami od 18 do 28 angstremów do kryształów od 100 do 300 angstremów, a angstrem to jedna dziesiąta miliardowa część metra).
Wizja naukowców dotyczy pojazdów, w których duża część karoserii lub kadłuba samolotu składa się ze strukturalnych akumulatorów litowo-jonowych. (Yen Strandqvist, Chalmers University of Technology) Zastosowanie włókna węglowego, które poświęca pewną sztywność w celu uzyskania lepszej przewodności, może nie stanowić problemu, ponieważ materiał był jeszcze sztywniejszy niż stal i był w stanie przenosić obciążenie konstrukcyjne. Nie będzie również utrzymywać ładunku tak skutecznie, jak tradycyjne akumulatory, ale wtedy, jeśli większość samochodu składa się z takich rzeczy, nie będzie musiała, ponieważ ogólna wydajność nadal będzie znacznie zwiększona. Partnerzy branżowi, tacy jak Airbus, który współpracuje z Asp od 2015 roku, określają to mianem „magazynowania energii bez użycia masy”.
Mimo to, technologia jest daleka od praktyczności - potencjalnie przez dziesięciolecia - mówi Adrian Mouritz, dziekan szkoły inżynierskiej na RMIT University w Melbourne. Mouritz pracuje również nad strukturalnym magazynowaniem energii za pomocą włókna węglowego, ale jego praca osadza akumulatory litowo-jonowe w kanapkach z węglem, pomagając przenosić część obciążenia strukturalnego i zmniejszając ciężar własny baterii, choć nie tak intensywnie jak wersja Asp.
„Stosowane przez nas podejście, materiał kompozytowy jest już sprawdzony, sama bateria jest już sprawdzona. Wszystko, co próbujemy udowodnić, to integracja baterii z kompozytem, co jest znacznie mniejszym krokiem do podjęcia ”- mówi Mouritz. „Leif's jest… bardziej skomplikowany technicznie, ale jego korzyści w dłuższej perspektywie będą silniejsze. Wciąż wymaga to jeszcze więcej badań i rozwoju, aby zoptymalizować materiały i projekt rzeczywistego systemu. ”
Asp i jego laboratorium pracują już nad tym, aby było to wykonalne. Wczesne badania (2014 i wcześniejsze) zmodyfikowane włókna węglowe, wprowadzające powłokę z laminowanych elektrolitów polimerowych, które pomagają włóknom bardziej efektywnie magazynować i uwalniać jony, w taki sam sposób, w jaki bateria litowo-jonowa wykorzystuje elektrolit.
„Żeby to latać, byłoby oczywiście daleko”, mówi Asp. Współpracuje z Airbusem przy produkcji wersji demonstracyjnej, która zostanie wydana w przyszłym roku, która zastąpi oświetlenie wewnętrzne i kable strukturalnym włóknem węglowym. Chociaż większa oszczędność masy może polegać na wyeliminowaniu zapotrzebowania na paliwo, co według Mouritz stanowi jedną trzecią lub więcej budżetu operacyjnego linii lotniczej, wersja demonstracyjna Airbusa będzie ilustracją opłacalności tej technologii.
Mouritz widzi technologię zastosowaną w samochodach luksusowych i samochodach wyścigowych Formuły 1, a także szerokie zastosowanie na rynku konsumenckim po obniżeniu ceny i potwierdzeniu niezawodności. „Jeśli potrafisz lekkość swojego samolotu, jeśli możesz lekkość swojego samochodu, faktyczna oszczędność kosztów netto wyniesie setki milionów, jeśli nie miliardy dolarów”, mówi.
„Inną rzeczą, oczywiście” - dodaje Mourtiz, „jest to, że jeśli zmniejszę zużycie paliwa, faktycznie zmniejszę emisję gazów cieplarnianych”.
