Graphene - Πώς το δισδιάστατο άνθρακα μπορεί να βελτιώσει τα αυτοκίνητα

Lamborghini Sesto Elemento Το Sesto Elemento της Lamborghini χρησιμοποιεί ανθρακονήματα για να μειώσει το βάρος του σε πάνω από 2.000 κιλά, αλλά το γραφένιο θα μπορούσε να προσφέρει ακόμη μεγαλύτερα πλεονεκτήματα εξοικονόμησης βάρους. Ο άνθρακας είναι η βάση της ζωής όπως το γνωρίζουμε. Ήταν εκεί από την αρχή, αναδεύοντας και βράζονταν στους πυρήνες των γιγαντιαίων αστεριών, πριν εκραγεί βίαια και δημιουργήσει τα δομικά στοιχεία του κόσμου γύρω μας.

Αυτό το στοιχείο, ένα από τα μικρότερα και ελαφρύτερα στον περιοδικό πίνακα, έχει τη δυνατότητα να φέρει επανάσταση στην αυτοκινητοβιομηχανία. Αυτό μπορεί να το κάνει με τη μορφή γραφενίου, ενός ουσιαστικά δισδιάστατου στρώματος άνθρακα που μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε όλα, από την κατασκευή μπαταριών και ηλιακών συλλεκτών έως τη βιοτεχνολογία και το φιλτράρισμα.

Το θαυμάσιο υλικό

Το Graphene είναι το ισχυρότερο υλικό που μετρήθηκε ποτέ. Τουλάχιστον, αυτό το θεώρησε το Πανεπιστήμιο της Κολούμπια το 2008.

Ο καθηγητής Μηχανολόγων Μηχανικών Τζέιμς Χουν είπε: «Θα χρειαζόταν ένας ελέφαντας, ισορροπημένος με ένα μολύβι, για να σπάσει ένα φύλλο γραφενίου το πάχος του Saran Wrap.»

Αλλά τα πράγματα δεν είναι απλά ανθεκτικά. Είναι επίσης ένας φανταστικός θερμικός αγωγός σε θερμοκρασία δωματίου και είναι ένας από τους πιο αποτελεσματικούς ηλεκτρικούς αγωγούς που είναι γνωστοί στον άνθρωπο.

Η αερογέλη Graphene είναι επίσης το ελαφρύτερο υλικό στον κόσμο, επτά φορές ελαφρύτερο από τον αέρα. Ένα τετραγωνικό μέτρο από αυτό, ένα μόνο άτομο παχύ και συνδεδεμένο σε ένα εξαγωνικό πλέγμα, ζυγίζει μόλις 0,77 χιλιοστόγραμμα.

Γραφενίου

Το Graphene είναι μια ποικιλία από πρώτες θέσεις. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία οθονών αφής, συστημάτων φιλτραρίσματος νερού, νανοσωλήνων υπολογιστών και συστημάτων αναγέννησης ιστών. Μπορεί ακόμη και να απομονώσει σωματίδια υδρογόνου στην ατμόσφαιρα.

Και δεν έχουμε φτάσει ακόμη σε εφαρμογές αυτοκινήτων.

Το μέλλον

Φανταστείτε να κατασκευάζετε ένα αυτοκίνητο από υλικό πάνω από 100 φορές ισχυρότερο από χάλυβα που είναι πολύ πιο ελαφρύ και μπορεί να μεταφέρει ηλεκτρισμό 30 φορές πιο γρήγορα από το πυρίτιο. Τότε, φανταστείτε ότι η ουσία μπορεί επίσης να λειτουργήσει ως τεράστιο ηλιακό πάνελ Λήψη της εικόνας; Ναι, το γραφένιο θα μπορούσε να είναι ένα παιχνίδι αλλαγής.

Το 2011, το Πανεπιστήμιο Τεχνολογίας του Σίδνεϊ έκανε μια σημαντική ανακάλυψη συνθέτοντας κάτι που ονομάζεται γραφένιο χαρτί (GP), ένα εξαιρετικά λεπτό στρώμα γραφίτη που έχει πέντε έως έξι φορές χαμηλότερη πυκνότητα από το χάλυβα, αλλά είναι δύο φορές πιο δύσκολο με 10 φορές το εφελκυσμό αντοχή και 13 φορές υψηλότερη ακαμψία κάμψης.

Με γραφένιο ή υλικό με βάση το γραφένιο, το μόνο που χρειάζεστε για να ξεπεράσετε μια Ferrari από τη γραμμή είναι ένα σκληρό αεράκι.

Αυτή η ευέλικτη ανθεκτικότητα θα μπορούσε να είναι πολύτιμη για τους κατασκευαστές αυτοκινήτων, οι οποίοι θα μπορούσαν να το χρησιμοποιήσουν ως επίστρωση για αδιαπέραστες μονάδες οδηγού, θωράκιση για στρατιωτικά οχήματα και ακόμη και εξαρτήματα ανάρτησης υψηλής πρόσκρουσης για off-roaders.

Σκεφτείτε τον αντίκτυπο που είχε η ίνα άνθρακα. Το Lamborghini Sesto Elemento χρησιμοποιεί την ύφανση πολυμερούς στο σώμα, την ανάρτηση, τον άξονα μετάδοσης κίνησης και το σασί, μειώνοντας το βάρος σε ασήμαντα 2.202 κιλά. Με γραφένιο ή υλικό με βάση το γραφένιο, το μόνο που χρειάζεστε για να ξεπεράσετε μια Ferrari από τη γραμμή είναι ένα σκληρό αεράκι, όχι τόσο μεγάλο V10.

Δεν είστε οπαδός της απόδοσης; Κοιτάξτε στο Visio.M EV του Μονάχου, ένα hatchback 992 λιβρών που χρειάζεται μόλις 20 ίππους για να ταξιδέψει 100 μίλια. Και από τι είναι φτιαγμένο το Visio.M; Πλαστικό ενισχυμένο με ίνες άνθρακα (CRFP) και αλουμίνιο, υλικά που μοιάζουν με μόλυβδο σε σύγκριση με αυτό το «θαυμάσιο υλικό».

Γρήγορα προχωρήστε στο μέλλον και θα μπορούσαμε ενδεχομένως να βγάλουμε ολόκληρα αυτοκίνητα από αυτά τα πράγματα, μέχρι τα εύκαμπτα, ηλιακά πάνελ χωρίς πυρίτιο που μετρούν την απόδοση ρεκόρ 15,6 τοις εκατό.

Πιο εφικτή, ωστόσο, είναι η χρήση γραφενίου στην ανάπτυξη εξαιρετικά ισχυρών σύνθετων υλικών και συμπαγών, ισχυρών μπαταριών λιθίου-θείου.

Κάθοδος MAPL-Xi Φωτογραφία μέσω AIP Publishing

Σύμφωνα με το Αμερικανικό Ινστιτούτο Φυσικής, οι μπαταρίες λιθίου-θείου είναι πολύ πυκνότερες από τις επιλογές ιόντων λιθίου και έχουν την ικανότητα να αποθηκεύουν τέσσερις φορές περισσότερη ενέργεια από τους αντίστοιχους. Επιπλέον, το θείο είναι απίστευτα φθηνό.

Η ατυχής πλευρά είναι ότι, ενώ είναι αποδοτικές, αυτές οι μπαταρίες έχουν μικρή διάρκεια ζωής λόγω του πώς το θείο διαλύεται στους υγρούς ηλεκτρολύτες.

Εκεί μπαίνει το γραφένιο. Με την αγώγιμη ουσία να λειτουργεί ως φυσικό φράγμα μέσα στην μπαταρία, η μεταφορά ενέργειας επιτρέπεται ακόμη χωρίς την ενεργή αποικοδόμηση του θείου που συμβαίνει με στενή επαφή.

Το Graphene μπορεί, ωστόσο, να χρησιμοποιηθεί για τη βελτίωση των μπαταριών ιόντων λιθίου.

Με αυτά τα περιβλήματα άνθρακα, σας μένει μια μονάδα αποθήκευσης ενέργειας που είναι ελαφρύτερη, μικρότερη, φθηνότερη, πιο πυκνή και έχει υψηλότερη ανοχή για υπερφόρτιση από το ιόν λιθίου.

Το Graphene μπορεί, ωστόσο, να χρησιμοποιηθεί για τη βελτίωση των μπαταριών ιόντων λιθίου και δεν θα μαντέψετε ποτέ ποια αυτοκινητοβιομηχανία κάνει τα μεγαλύτερα κύματα σε αυτόν τον τομέα.

Σύμφωνα με πληροφορίες, η Tesla αναπτύσσει τεχνολογία που θα ενισχύσει το φάσμα των οχημάτων της από περίπου 300 μίλια έως σχεδόν 500 μίλια χρησιμοποιώντας ηλεκτρόδια μπαταρίας με βάση το γραφένιο. Θυμηθείτε, το μέσο τροφοδοτεί ηλεκτρισμό όπως λίγες ουσίες, πράγμα που σημαίνει μεγαλύτερη χωρητικότητα και ταχύτερη φόρτιση συνολικά.

Υπάρχουν όμως ορισμένα προβλήματα.

Μειονεκτήματα

Καθώς γράφεται, δεν υπάρχει εμπορικό μέσο μαζικής παραγωγής γραφενίου. Και επειδή είναι τόσο καινούργιο (ανακαλύφθηκε το 2003 και κατασκευάστηκε για πρώτη φορά το 2004), οι τεχνολογίες που χρησιμοποιήθηκαν για την επεξεργασία του είναι ακόμη στα σπάργανα. Έτσι, είναι ακριβά.

Πιο συγκεκριμένα, η δημιουργία του υπερ-υλικού σε πραγματική δισδιάστατη μορφή είναι δύσκολο να γίνει σε μεγάλη κλίμακα. Οι 2D κρυσταλλίτες τείνουν να κάμπτονται στην τρίτη διάσταση όταν το υλικό αναπτύσσεται μέσω χημικής σύνθεσης, οπότε για να δημιουργήσουν πραγματικό 2D υλικό, οι ερευνητές αναγκάζονται να χρησιμοποιήσουν άλλες μεθόδους.

Lamborghini Sesto Elemento Lamborghini Sesto Elemento

Επί του παρόντος, η πιο συνηθισμένη τεχνική για τη σύνθεση υψηλής ποιότητας γραφενίου είναι γνωστή ως απολέπιση ή διάσπαση, η οποία ξεφλουδίζει μονοστιβάδες τρισδιάστατου γραφίτη με κολλητική ταινία για να φτάσει σε ένα μόνο ατομικό φύλλο. Όπως πιθανότατα μπορείτε να μαντέψετε, αυτή η μέθοδος είναι εξαιρετικά αναποτελεσματική για την ποσότητα του καθαρού υλικού.

Αλλά σε έναν κόσμο της αυτοκινητοβιομηχανίας που προσπαθεί συνεχώς να βελτιώνει την απόδοση και την απόδοση, μερικές φορές πρέπει να σκεφτείτε μικρά.

συμπέρασμα

Οι περισσότεροι ειδικοί συμφωνούν ότι η τεχνολογία της μπαταρίας είναι αυτό που συγκρατεί τα EV. Με την τρέχουσα τεχνολογία, υπάρχουν ανησυχίες για έξοδα, βάρος, μέγεθος και - κυρίως - εύρος.

Το Graphene είναι μια πιθανή λύση για σχεδόν όλα αυτά τα προβλήματα, αλλά δεν σταματά εκεί.

Αυτό το «θαυμάσιο υλικό» θα μπορούσε να αντικαταστήσει επιλεγμένες ίνες άνθρακα, χάλυβα και εξαρτήματα αλουμινίου που υπάρχουν στα αυτοκίνητά μας σήμερα, ελαφρύτερα τα φορτία μας συνολικά στην επιδίωξη απόδοσης και αποδοτικότητας. Είναι μια φόρμουλα σπορ αυτοκινήτου που μπορεί να βοηθήσει εντός και εκτός πίστας.

Κοιτάξτε το Ford F-150 του 2015, το οποίο εξοικονόμησε 700 κιλά αλλάζοντας από ατσάλι σε σώμα αλουμινίου. Φανταστείτε τι θα μπορούσε να φέρει το graphene στα επόμενα 20 χρόνια. Οι οδηγοί Featherweight καθημερινά που δεν χρειάζονται καμία δύναμη για να κινηθούν και είναι απίστευτα ασφαλείς; Εγγραφείτε.

Όσον αφορά το 2014, ωστόσο, η παγκόσμια αγορά υλικού είναι μέτρια 20 εκατομμύρια δολάρια περίπου. Αλλά και πάλι, αρχίζουμε μικρά.

Ο άνθρακας, το δομικό στοιχείο όλων των ζωών στη Γη, θα είναι το επόμενο βήμα της εξέλιξης των αυτοκινήτων;

Περίμενε και θα δεις.

Πρόσφατες δημοσιεύσεις