Onderzoekers hebben een manier ontwikkeld om lichtgewicht vezels te maken, voor mogelijk gebruik in carrosserieën van auto’s, uit een ultragoedkope grondstof: het afvalmateriaal van de raffinage van aardolie.
Terwijl de wereld worstelt om de efficiëntie van auto’s en andere voertuigen te verbeteren om de uitstoot van broeikasgassen te beteugelen en het bereik van elektrische voertuigen te verbeteren, wordt er gezocht naar steeds lichtere materialen die sterk genoeg zijn om te worden gebruikt in de carrosserieën van auto’s.
Lichtgewicht materialen gemaakt van koolstofvezel, vergelijkbaar met het materiaal dat wordt gebruikt voor sommige tennisrackets en fietsen, combineren uitzonderlijke sterkte met een laag gewicht, maar deze zijn duurder om te produceren dan vergelijkbare structurele elementen van staal of aluminium. Nu hebben onderzoekers van het MIT een manier bedacht om deze lichtgewicht vezels te maken van een ultragoedkope grondstof: het zware, glibberige afvalmateriaal dat overblijft na de raffinage van aardolie, materiaal dat raffinaderijen tegenwoordig leveren voor laagwaardige toepassingen zoals asfalt, of uiteindelijk als afval behandelen.
De nieuwe koolstofvezel is niet alleen goedkoop om te maken, maar biedt ook voordelen ten opzichte van de traditionele koolstofvezelmaterialen omdat het druksterkte kan hebben, wat betekent dat het kan worden gebruikt voor dragende toepassingen. Het nieuwe proces wordt beschreven in het tijdschrift Science Advances , in een paper van afgestudeerde student Asmita Jana, onderzoekswetenschapper Nicola Ferralis, professor Jeffrey Grossman en vijf anderen aan het MIT, Western Research Institute in Wyoming en Oak Ridge National Laboratory in Tennessee.
Het onderzoek begon ongeveer vier jaar geleden naar aanleiding van een verzoek van het ministerie van Energie, dat op zoek was naar manieren om auto’s zuiniger te maken en het brandstofverbruik te verminderen door het totale gewicht te verlagen. “Als je nu naar hetzelfde model auto kijkt, vergeleken met 30 jaar geleden, is het aanzienlijk zwaarder”, zegt Ferralis. “Het gewicht van auto’s is binnen dezelfde categorie met meer dan 15 procent toegenomen.”
Een zwaardere auto vereist een grotere motor, sterkere remmen, enzovoort, dus het verminderen van het gewicht van de carrosserie of andere componenten heeft een rimpeleffect dat extra gewichtsbesparingen oplevert. De Department of Energy (DOE) dringt aan op de ontwikkeling van lichtgewicht structurele materialen die passen bij de veiligheid van de huidige conventionele stalen panelen, maar die ook goedkoop genoeg kunnen worden gemaakt om mogelijk staal in standaardvoertuigen te vervangen.
Composieten gemaakt van koolstofvezels zijn geen nieuw idee, maar tot nu toe zijn ze in de autowereld slechts in een paar zeer dure modellen gebruikt. Het nieuw onderzoek wil dat omdraaien door een goedkoop uitgangsmateriaal en relatief eenvoudige verwerkingsmethoden te bieden.
Koolstofvezels van de kwaliteit die nodig is voor gebruik in de auto kost momenteel minstens $ 10 tot $ 12 per pond, zegt Ferralis, en “kan veel meer zijn”, tot honderden dollars per pond voor gespecialiseerde toepassingen zoals ruimtevaartuigcomponenten. Dat is ongeveer 75 cent per pond voor staal, of $ 2 voor aluminium, hoewel deze prijzen sterk fluctueren en de materialen vaak afhankelijk zijn van buitenlandse bronnen. Tegen die prijzen, zegt hij, zou het maken van een pick-up van koolstofvezel in plaats van staal ongeveer de kosten verdubbelen.
Deze vezels zijn typisch gemaakt van van polymeren (zoals polyacrilonitril) afgeleide aardolie, maar met behulp van een kostbare tussenstap voor het polymeriseren van de koolstofverbindingen. De kosten van het polymeer kunnen meer dan 60 procent van de totale kosten van de uiteindelijke vezel uitmaken. In plaats van om te beginnen een geraffineerd en verwerkt aardolieproduct te gebruiken, gebruikt de nieuwe aanpak van het team wat in wezen het bezinksel is dat overblijft na het raffinageproces, een materiaal dat bekend staat als petroleumpek.
In samenwerking met onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory, die de expertise hadden in het vervaardigen van koolstofvezels onder verschillende omstandigheden, van laboratoriumschaal tot pilootfabriekschaal, ging het team op zoek naar manieren om de prestaties te voorspellen om de om de keuze van de voorwaarden voor die fabricage-experimenten te begeleiden.
Het werk leverde resultaten op die aantoonden dat door de startomstandigheden aan te passen, koolstofvezels konden worden gemaakt die niet alleen sterk waren in spanning, zoals de meeste van dergelijke vezels, maar ook sterk in compressie, wat betekent dat ze mogelijk zouden kunnen worden gebruikt in dragende toepassingen. Dit opent geheel nieuwe mogelijkheden voor de bruikbaarheid van deze materialen, zeggen ze.
DOE’s oproep was voor projecten om de kosten van lichtgewicht materialen onder de $ 5 per pond te brengen, maar het MIT-team schat dat hun methode het beter kan doen dan dat, ongeveer $ 3 per pond bereiken, hoewel ze nog geen gedetailleerde economische analyse hebben.
Het onderzoeksteam omvatte Taishan Zhu en Yanming Wang van het MIT, Jeramie Adams van de Western Reserve University en Logan Kearney en Amit Naskar van het Oak Ridge National Laboratory. Het werk werd ondersteund door het Amerikaanse ministerie van Energie.
Connect ondersteunt en bevordert de creatie en verspreiding wetenschappelijke kennis en onderzoek door samenwerking met bibliotheken, uitgevers, onderzoekers, onderwijsinstellingen en wetenschappers.
Wens jij ons werk te ondersteunen?
Inzendingen voor publicatie: info@connect.sr
Adverteren: Click hier