Fibra de carbon este folosită în principal pentru greutatea sa ușoară și prețuită pentru rezistența și rigiditatea sa. Însă, atunci când Leif Asp privește materialul, vede o oportunitate de a-l face să-și facă datoria dublă într-un mod care ar putea îmbunătăți drastic eficiența mașinilor și a avioanelor.
„Bateria este un parazit structural”, spune inginerul și profesorul de la Universitatea de Tehnologie Chalmers din Suedia, ceea ce înseamnă că aduce un plus de greutate și eficiență, fără a contribui la rezistența fizică și structura mașinii pe care o alimentează. Dar dacă vehiculele erau construite din baterii?
Acolo se întâmplă într-adevăr Asp cu această tehnologie. El dorește să vadă mașini, avioane, bărci, chiar și ceasuri inteligente și alte echipamente electronice de consum, realizate dintr-un material care acționează atât ca caroserie, cât și ca sursă de energie - ceva cunoscut sub numele de „baterie structurală”. O mașină care include baterii structurale ar putea cântări până la 50 procent mai puțin decât un EV tipic, care are baterii de ioni de litiu grele ambalate sub el, spune Asp.
Nu este o veste că fibra de carbon are proprietăți electrochimice. Ca și grafitul, materialul este, în anumite configurații, capabil de conductivitate. Cercetătorii de la Universitatea de Tehnologie Chalmers au solicitat un brevet american pentru o baterie fabricată din fibră de carbon, dar aducerea efectivă a unuia pe piață s-a dovedit complicat pentru numărul mic de oameni care studiază ideea. Noile cercetări ale echipei Asp au identificat un aspect particular al materialului care face ca utilizarea potențială a sa ca baterii structurale să fie mult mai realistă.
Leif Asp cu o bobină de fire din fibră de carbon (Johan Bodell, Universitatea de Tehnologie din Chalmers) Totuși, tot carbonul nu este creat egal, iar diferite tipuri de carbon au proprietăți diferite care le fac aplicabile diferitelor utilizări. Obiectivul Asp este să înțeleagă ce se comportă cum și de ce și să aplici asta aplicațiilor structurale.
„Fibrele de carbon care sunt disponibile pe piață, au fost făcute pentru aplicații structurale sau pentru aplicații electrice”, spune el. Aplicațiile structurale sunt cele mai cunoscute, de la carbonul care formează bicicletele și alte produse puternice, ușoare, dar componentele electrice sunt uneori confecționate și din material, deși un tip diferit. El crede că există carbon care poate face ambele.
În ultimele lor cercetări, Asp și colaboratorii săi au comparat trei compozite și le-au examinat prin microscopie electronică și spectroscopie laser. Au integrat fibra în baterii, au analizat dimensiunea și orientarea cristalelor de atomi de carbon legați împreună și au comparat rigiditatea, rezistența și proprietățile electrochimice ale diferitelor materiale. Cristalele mai mici, cu o structură mai dezorientată, tind să fie mai reactive electrochimic - adică sunt mai capabile să preia, să stocheze și să elibereze electroni și, astfel, să acționeze ca baterii. Cu toate acestea, aceste tipuri de carbon sunt mai puțin rigide decât cele cu cristale mai lungi și aliniate. (Oricum, sunt foarte mici; Asp a comparat fibrele cu cristalele de la 18 la 28 de angstrom la cristalele de la 100 la 300 de angstromi, iar un angstrom este de o zece miliarde de metri.)
Viziunea cercetătorilor este a vehiculelor în care o mare parte a caroseriei auto sau a fuselajului avionului constă în baterii structurale cu ioni de litiu. (Yen Strandqvist, Chalmers University of Technology) Utilizarea unei fibre de carbon care sacrifică o anumită rigiditate pentru a obține o conductibilitate mai bună poate să nu fie o problemă, deoarece materialul era încă mai rigid decât oțelul și capabil să poarte o sarcină structurală. De asemenea, nu va reține o taxă la fel de eficient ca bateriile tradiționale, dar atunci, dacă cea mai mare parte a mașinii este alcătuită din materiale, nu va trebui, deoarece eficiența generală va fi în continuare mult crescută. Partenerii din industrie, cum ar fi Airbus, care lucrează cu Asp din 2015, se referă la acest lucru drept „stocare fără energie în masă”.
Cu toate acestea, tehnologia este departe de a fi practic - potențial zeci de ani, spune Adrian Mouritz, decanul executiv al școlii de inginerie de la RMIT University din Melbourne. Mouritz lucrează, de asemenea, la stocarea de energie structurală folosind fibră de carbon, dar lucrarea sa încorporează bateriile cu ioni de litiu în sandwich-uri de carbon, contribuind astfel la o parte din sarcina structurală și la reducerea greutății moarte a bateriilor, deși nu la fel de extensiv ca versiunea Asp.
„Abordarea pe care o luăm, materialul compozit este deja dovedit, bateria în sine este deja dovedită. Tot ce încercăm să dovedim este integrarea bateriei în compozit, care este un pas mult mai mic de făcut ”, spune Mouritz. „Leif’s… este mai complex din punct de vedere tehnic, dar beneficiile sale pe termen lung vor fi mai puternice. Încă este nevoie de mult mai multe cercetări și dezvoltări pentru a optimiza materialele și designul sistemului actual. "
Asp și laboratorul său lucrează pentru a-l face viabil deja. Cercetări timpurii (2014 și anterioare) au modificat fibrele de carbon, introducând o teacă de electroliți polimeri stratificați care ajută la depozitarea fibrelor și la eliberarea ionilor mai eficient, în același mod în care o baterie cu ioni de litiu folosește un electrolit intervenient.
„Pentru a zbura, desigur, ar fi mult timp departe”, spune Asp. El lucrează cu Airbus pentru a produce o demo, pentru lansare anul viitor, care înlocuiește luminile interioare și cablurile cu fibra structurală de carbon. Deși economiile mai mari în greutate ar putea fi eliminarea nevoii de combustibil, ceea ce Mouritz spune că reprezintă o treime sau mai multe din bugetul de funcționare al unei companii aeriene, demo-ul Airbus va fi o ilustrare a faptului că tehnologia este viabilă.
Mouritz consideră că tehnologia este aplicată pe autospeciale de lux și curse de curse de Formula 1 și pe o largă adoptare pe piața consumatorilor odată ce prețul scade și fiabilitatea este confirmată. „Dacă îți poți ușura aeronava, dacă îți poți ușura automobilul, economiile efective de costuri nete de aceasta sunt în sute de milioane, dacă nu în miliarde de dolari”, spune el.
„Celălalt lucru, desigur, adaugă Mourtiz, „ este că, dacă îmi reduc arderea de combustibil, reduc efectiv emisiile de gaze cu efect de seră. ”
