Sreda, 27. 6. 2018, 7.00
6 let, 5 mesecev
Material prihodnosti, ki bo spremenil gradnjo avtov?
Termometer prikazuje, kako vroč je članek.
Termometer prikaže, kako vroč je članek.
1,58
V novodobnih avtomobilih je uporaba kompozitnih materialov vse pogostejša, a visoka cena proizvodnje zavira uporabo v cenovno dostopnejših avtomobilih. Univerza v Sunderlandu pospešuje uporabo kompozitnega materiala grafen, ki bo po predvidevanjih prešel v množično uporabo čez sedem let in močno zmanjšal maso ter aktivno pripomogel k energijski učinkovitosti avtomobilov.
Grafen je trdna snov, sestavljena iz čistega ogljika, kjer so atomi razporejeni v vzorec pravilnih šestkotnikov, podoben grafitu, vendar z debelino enega atoma.
Velikoserijska uporaba že čez sedem let
Trenutno je največji zagovornik in promotor materiala prihodnosti univerza v Sunderlandu, ki trenutno izvaja pilotni projekt na Japonskem. Znanstveniki z univerze so razvoj grafena pripeljali do točke, ko je njegova uporaba cenovno že smiselna za velikoserijsko uporabo. Ko grafen dodajo plastiki, ojačani z ogljikovimi vlakni, odbijač absorbira za štirideset odstotkov več energije kot običajen odbijač. Posledično avtomobili ne bodo le bolj varni, temveč tudi lažji in energijsko učinkovitejši.
Številna podjetja, ki delujejo v avtomobilski industriji, so že prepoznala potencial grafena. Gumarski velikan Goodyear je že premišljeval o izdelavi majhnih senzorjev. Vgradili bi jih v tekalno površino konceptne sferične pnevmatike Eagle 360 iz leta 2016. V naprednem pogonskem centru v Warwicku je bil pred kratkim seminar, na katerem so pod eno streho zbrali strokovnjake ter se pogovarjali o potencialu grafena. Prvič so ga kot samostojen material predstavili že leta 2004 na univerzi v Manchestru. A kot pravijo odgovorni z univerze v Sunderland, so oni prvi, ki jim je uspelo fizično testirati ta material, svojih trditev pa niso predstavljali le kot teorije. Še več, začeli so vlagati prve patentne rešitve za proizvodne procese.
Pridobivajo ga iz grafita
Grafen pridobivajo iz grafita, ki ga najdemo v svinčnikih. Iz njega dobijo za en atom grafena oziroma količino, ki je milijonkrat tanjša kot človeški las. Pridobljeni prah nato združijo s smolo, odporno proti toploti, in z njo, ko je še v tekočem stanju, impregnirajo ogljikova vlakna. Enako tehniko lahko uporabijo tudi na termoplastičnem materialu, ki ga zlahka oblikujejo. Ko se ohladi, postane izredno trden. V tem primeru je grafen mešan s plastiko med njenim topljenjem. Tako izdelan odbijač absorbira energijo po delčkih, umešanje grafena na določenih delih pa znatno izboljša značilnosti materiala in mu poleg večje trdnosti zmanjša maso ter poveča prožnost.
"Kombinacija materialov ustvari določeno trdnost, ki absorbira nekaj sile. S tem se nekako uvrsti med ogljikova vlakna in kovino," je dejal Ahmed Elmarakbi, profesor za avtomobilske kompozite na univerzi v Sunderlandu.
Grafen velja za eno najpomembnejših odkritij na področju kvantno-mehanskih pojavov v tem stoletju in je alotrop ogljika s
strukturo ene ravninske tanke ploščice s povezanimi ogljikovimi atomi v molekulski razvrstitvi sp2. Ti so na gosto nagneteni v kristalno mrežo v obliki satovja. Izraz grafen je skoval Hanns-Peter Boehm kot kombinacijo besede grafit s pripono -en. Leta 1962 je opisal enoplastne ogljikove folije. Grafen si lahko najlaže predstavljamo kot žično ograjo v atomskem merilu, sestavljeno iz ogljikovih atomov in njihovih vezi.Dolžina vezi med sosednjima ogljikoma v grafenu je približno 0,142 nanometra. Grafenske ploščice so nagrmadene v obliki grafita z razmikom med ravninami 0,335 nanometra. Grafen je osnovni strukturni element nekaterih ogljikovih alotropov, npr. grafita, oglja, ogljikovih nanocevi in fulerenov. Imamo ga lahko za neskončno veliko aromatsko molekulo, mejni primer družine ravnih policikličnih aromatskih ogljikovodikov.
Leta 2010 so za raziskave dvorazsežnih grafenov podelili Nobelovo nagrado za fiziko Andreu Geimu in Konstantinu Novoselovu z univerze v Manchestru. Raziskovalci grafenov pod vodstvom profesorja Jarija Kinareta s Chalmersove tehniške univerze so leta 2013 od Evropske unije prejeli eno milijardo evrov. Ta pobuda o raziskovanju grafenov vključuje več kot sto raziskovalnih skupin s 136 glavnimi raziskovalci, med katerimi so tudi štirje Nobelovi nagrajenci.
Ahmed Elmarakbi je profesor za avtomobilske kompozite na univerzi v Sunderlandu, kjer so prvi razvili uporabo grafena v komercialne namene.
Manj plasti, manjša cena proizvodnje
Odbijač, izdelan na univerzi, je bil sestavljen iz dveh različnih komponent. Zunanja lupina je bila narejena iz ogljikovih vlaken, ojačanih s smolo z vsebnostjo grafena. Ojačitvene linije so bile izdelane iz steklenih vlaken in ojačane s termoplastiko z vsebnostjo grafena. "Enako zmogljivost materiala lahko ohranimo z manj plastmi in uporabo grafena ali ohranimo število plasti in z uporabo grafena močno izboljšamo zmogljivost materiala," je še dejal Elmarakbi.
Poleg večje varnosti je uporaba grafena ključna za preboj ogljikovih vlaken v celotno avtomobilsko industrijo. Naj gre za uporabo pravih vlaken ali plastike, ojačane z ogljikovimi vlakni, zaradi manjšega števila slojev in hitrejše proizvodnje se bo cena proizvodnje z uporabo grafena močno znižala.
Seveda izzivi ostajajo. Še pred množično uporabo morajo proizvajalci najti način, kako prah enakomerno porazdeliti čez celoten polimer. Če je na enem mestu preveč grafena oziroma nastanejo grudice, je posledično tisti del šibkejši. Ravno obratno predstavlja težavo prevelika uporaba grafena, saj je ojačani del lahko pretrd in namesto absorpcije energije energijo ob trku odda.
Uporaba praktično nima meja
Ko bodo izpopolnili proizvodne procese, bo uporaba spremenila avtomobilski svet. S pomočjo grafena bodo izdelovali vse sestavne dele avtomobila – od odbijačev, blatnikov, vrat, strukture do notranjih elementov.
Material lahko uporabijo za izdelavo lahkih baterij. ''Lahko bi izdelali baterijo s polovico prvotne velikosti in iz nje dobili enako kapaciteto. Energijsko goste in lahke baterije bi bile bistveno cenejše za izdelavo, saj bi nekateri elementi stali do 90 odstotkov manj,'' je širino uporabo grafena poudaril Elmarakbi.
V konzorciju, ki ga vodi univerza v Sunderlandu, je pet evropskih partnerjev. Med njimi je izredno pomemben tudi Centro Ricerche Fiat, ki je del skupine Fiat Chrysler Automobiles.
