Grafén - Ako môže dvojrozmerný uhlík vylepšiť automobily

Lamborghini Sesto Elemento Lamborghini Sesto Elemento používa uhlíkové vlákno na zníženie svojej hmotnosti na niečo viac ako 2 000 libier, ale grafén by mohol ponúknuť ešte väčšie výhody pri znižovaní hmotnosti. Uhlík je základom života, ako ho poznáme. Bolo tam od samého začiatku, vírilo a varilo sa v jadrách obrovských hviezd, predtým ako prudko vybuchlo a vytvorilo stavebné kamene sveta okolo nás.

Tento prvok, jeden z najmenších a najľahších v periodickej sústave, má potenciál spôsobiť revolúciu v automobilovom priemysle. Môže to urobiť vo forme grafénu, čo je prakticky dvojrozmerná vrstva uhlíka, ktorá sa dá použiť vo všetkom, od výroby batérií a solárnych panelov až po biotechnológie a filtráciu.

Zázračný materiál

Grafén je najsilnejší materiál, aký sa kedy meral. Aspoň to považovala Kolumbijská univerzita v roku 2008.

Profesor strojárstva James Hone povedal: „Trvalo by slona vyváženého na ceruzke, aby sa prebil cez vrstvu grafénu s hrúbkou Saran Wrap.“

Ale materiál nie je len robustný; je to tiež fantastický tepelný vodič pri izbovej teplote a je to jeden z najefektívnejších elektrických vodičov, aké človek pozná.

Grafénový aerogél je tiež najľahší materiál na svete, sedemkrát ľahší ako vzduch. Jeden meter štvorcový z neho, jediný atóm hrubý a spojený v šesťuholníkovej mriežke, váži iba 0,77 miligramov.

Grafén

Grafén je sortiment povrchových úprav na prvom mieste. Môže sa použiť na vytvorenie dotykových obrazoviek, systémov filtrácie vody, počítačových nanorúrok a systémov regenerácie tkanív. Môže dokonca izolovať častice vodíka v atmosfére.

A to sme sa ešte nedostali ani k automobilovým aplikáciám.

Budúcnosť

Predstavte si, že ste postavili automobil z materiálu, ktorý je stokrát silnejší ako oceľ, ktorý je oveľa ľahší a dokáže viesť elektrinu 30-krát rýchlejšie ako kremík. Potom si predstavte, že táto látka dokáže fungovať aj ako obrovský solárny panel. Získavate obraz? Áno, grafén by mohol zmeniť hru.

V roku 2011 urobila University of Technology v Sydney významný prielom syntézou niečoho, čo sa nazýva grafénový papier (GP), čo je ultratenká vrstva grafitu, ktorá má päť až šesťkrát nižšiu hustotu ako oceľ, ale je dvakrát ťažšia s 10-násobkom ťahu pevnosť a 13-krát vyššia tuhosť v ohybe.

S grafénom alebo materiálom na báze grafénu je všetko, čo potrebujete, aby ste Ferrari porazili z radu, tvrdý vánok.

Táto flexibilná trvanlivosť by mohla byť neoceniteľná pre výrobcov automobilov, ktorí by ju mohli použiť ako vrstvu na nepriepustné moduly vodiča, pancierovanie vojenských vozidiel a dokonca aj komponenty nárazu pruženia pre terénne vozidlá.

Spomeňte si na dopad uhlíkových vlákien. Lamborghini Sesto Elemento využíva polymérovú väzbu v karosérii, zavesení, hnacom hriadeli a podvozku, čo znižuje hmotnosť na nepatrných 2 202 libier. S grafénom alebo materiálom na báze grafénu je všetko, čo potrebujete, aby ste porazili Ferrari z radu, je tuhý vánok, nie taká veľká V10.

Nie ste fanúšikom výkonu? Pozrite sa na mníchovský Visio.M EV, hatchback s hmotnosťou 992 libier, ktorý na prekonanie 100 míľ potrebuje iba 20 koní. A z čoho je vyrobený Visio.M? Plast vystužený uhlíkovými vláknami (CRFP) a hliník, materiály, ktoré v porovnaní s týmto „úžasným materiálom“ vyzerajú ako olovo.

Rýchlo vpred do budúcnosti a my by sme z týchto vecí mohli potenciálne vyrábať celé automobily, až po flexibilné solárne panely bez kremíka, ktoré merajú rekordnú 15,6-percentnú účinnosť.

Dosiahnuteľnejšie je však použitie grafénu pri vývoji mimoriadne silných kompozitných materiálov a kompaktných a silných lítium-sírnych batérií.

MAPL-Xi-katóda Foto prostredníctvom vydavateľstva AIP Publishing

Podľa amerického fyzikálneho ústavu sú lítium-sírové batérie oveľa hustejšie ako lítium-iónové akumulátory a sú schopné skladovať štyrikrát viac energie ako ich náprotivky. Síra je navyše neuveriteľne lacná.

Nešťastnou stránkou je, že hoci sú tieto batérie efektívne, majú krátku životnosť, pretože sa síra rozpúšťa v kvapalných elektrolytoch.

To je miesto, kde prichádza grafén. S vodivou látkou pôsobiacou ako fyzická bariéra vo vnútri batérie je prenos energie stále povolený bez aktívnej degradácie síry, ku ktorej dochádza pri blízkom kontakte.

Grafén je však možné použiť aj na vylepšenie lítium-iónových batérií.

S týmito karbónovými krytmi vám zostane jednotka na ukladanie energie, ktorá je ľahšia, menšia, lacnejšia, hustejšia a má vyššiu toleranciu prebitia ako lítium-ión.

Grafén sa však dá použiť aj na vylepšenie lítium-iónových batérií a nikdy neuhádnete, ktorá automobilka robí v tejto oblasti najväčšie vlny.

Spoločnosť Tesla údajne vyvíja technológiu, ktorá rozšíri dojazd svojich vozidiel z približne 300 míľ na takmer 500 míľ pomocou batériových elektród na báze grafénu. Pamätajte, že médium vedie elektrinu tak, ako to dokáže len málo látok, čo znamená vyššiu kapacitu a celkové rýchlejšie nabíjanie.

Existujú však určité problémy.

Nevýhody

Ako sa píše, v súčasnosti neexistujú žiadne komerčne dostupné spôsoby hromadnej výroby grafénu. A pretože je taký nový (bol objavený v roku 2003 a prvýkrát vyrobený v roku 2004), technológie použité na jeho spracovanie sú stále v začiatkoch. Sú teda drahé.

Konkrétnejšie, vytváranie super-materiálu v skutočnej dvojrozmernej podobe je ťažké vykonať vo veľkom meradle. 2D kryštály majú tendenciu ohýbať sa do tretej dimenzie, keď sa materiál pestuje pomocou chemických syntéz, takže na vytvorenie skutočného 2D materiálu sú vedci nútení používať iné metódy.

Lamborghini Sesto Elemento Lamborghini Sesto Elemento

V súčasnosti je najbežnejšia technika na syntézu vysoko kvalitného grafénu známa ako exfoliácia alebo štiepenie, pri ktorej sa lepiacou páskou odlupujú monovrstvy 3D grafitu a získava sa tak jediný atómový list. Ako asi tušíte, táto metóda je pre množstvo započítaného materiálu mimoriadne neefektívna.

Ale v automobilovom svete, ktorý sa neustále snaží zlepšovať efektívnosť a výkon, musíte niekedy myslieť na malú.

Záver

Väčšina odborníkov sa zhoduje na tom, že EV brzdí technológia batérií. Pri súčasnej technológii existujú obavy z nákladov, hmotnosti, veľkosti a - predovšetkým - rozsahu.

Grafén je potenciálnym liekom takmer na všetky tieto problémy, ale tým to nekončí.

Tento „zázračný materiál“ by mohol nahradiť vybrané komponenty z uhlíkových vlákien, ocele a hliníka, ktoré dnes existujú v našich automobiloch, a celkovo tak odľahčiť naše zaťaženie v snahe o výkon a efektívnosť. Je to formula pre športové vozidlá, ktorá môže pomôcť na trati aj mimo nej.

Pozrite sa na Ford F-150 z roku 2015, ktorý prechodom z oceľovej na hliníkovú karosériu ušetril 700 libier. Predstavte si, aký vývoj by mohol priniesť grafén v nasledujúcich 20 rokoch. Muší každodenní vodiči, ktorí nepotrebujú žiadny pohyb a sú neuveriteľne bezpeční? Prihláste sa.

Pokiaľ ide o rok 2014, globálny trh s materiálom je približne 20 miliónov dolárov. Ale opäť začíname pomaly.

Bude uhlík, stavebný kameň všetkého života na Zemi, ďalším krokom automobilovej evolúcie?

Počkaj a uvidíš.

Posledné príspevky

$config[zx-auto] not found$config[zx-overlay] not found