Grafen - Jak může dvourozměrný uhlík zlepšit automobily

Lamborghini Sesto Elemento Lamborghini Sesto Elemento používá uhlíková vlákna ke snížení své hmotnosti na něco málo přes 2 000 liber, ale grafen by mohl nabídnout ještě větší výhody při snižování hmotnosti. Uhlík je základem života, jak ho známe. Bylo to tam od samého začátku, vířilo a vařilo v jádrech obřích hvězd, než prudce vybuchlo a vytvořilo stavební kameny světa kolem nás.

Tento prvek, jeden z nejmenších a nejlehčích na periodické tabulce, má potenciál způsobit revoluci v automobilovém průmyslu. Může to udělat ve formě grafenu, prakticky dvojrozměrné vrstvy uhlíku, kterou lze použít ve všem, od výroby baterií a solárních panelů po biotechnologie a filtraci.

Zázračný materiál

Grafen je nejsilnější materiál, jaký byl kdy měřen. Alespoň to považovala Columbia University v roce 2008.

Profesor strojního inženýrství James Hone řekl: „Prolomení listu grafenu o tloušťce Saran Wrap by vyžadovalo slona vyváženého tužkou.“

Ale věci nejsou jen robustní; je to také fantastický tepelný vodič při pokojové teplotě a je to jeden z nejúčinnějších elektrických vodičů, jaké člověk zná.

Grafenový aerogel je také nejlehčím materiálem na světě, sedmkrát lehčí než vzduch. Jeden metr čtvereční, jediný atom silný a spojený v hexagonální mřížce, váží pouhých 0,77 miligramu.

Grafen

Grafen je sortiment prvotřídních povrchových úprav. Může být použit k vytvoření dotykových obrazovek, systémů filtrace vody, počítačových nanotrubiček a systémů regenerace tkání. Může dokonce izolovat částice vodíku v atmosféře.

A to jsme se ještě nedostali ani k automobilovým aplikacím.

Budoucnost

Představte si, že postavíte auto z materiálu, který je stokrát silnější než ocel, který je o mnoho lehčí a dokáže vést elektřinu třikrát rychleji než křemík. Pak si představte, že tato látka může fungovat také jako obrovský solární panel. Získat obrázek? Ano, grafen by mohl změnit hru.

V roce 2011 dosáhla University of Technology v Sydney významného průlomu syntetizací něčeho, co se nazývá grafenový papír (GP), ultratenká vrstva grafitu, která má pětkrát až šestkrát nižší hustotu než ocel, ale je dvakrát tvrdší s desetinásobným tahem pevnost a 13krát vyšší tuhost v ohybu.

S grafenem nebo materiálem na bázi grafenu je vše, co potřebujete, abyste porazili Ferrari z řady, tvrdý vánek.

Tato flexibilní trvanlivost by mohla být neocenitelná pro výrobce automobilů, kteří by ji mohli použít jako povlak pro nepropustné moduly řidiče, pancéřování pro vojenská vozidla a dokonce i vysoce odolné komponenty odpružení pro off-road.

Vzpomeňte si na dopad uhlíkových vláken. Lamborghini Sesto Elemento využívá polymerní vazbu v těle, zavěšení, hnacím hřídeli a podvozku, čímž snižuje hmotnost na nepatrných 2 202 liber. S grafenem nebo materiálem na bázi grafenu je vše, co potřebujete, abyste porazili Ferrari z řady, tvrdý vánek, ne tak velká V10.

Nejste fanouškem výkonu? Podívejte se na mnichovský Visio.M EV, hatchback o hmotnosti 992 liber, který potřebuje pouhých 20 koní, aby mohl ujet 100 mil. A z čeho je vyroben Visio.M? Plast vyztužený uhlíkovými vlákny (CRFP) a hliník, materiály, které ve srovnání s tímto „úžasným materiálem“ vypadají jako olovo.

Rychle vpřed do budoucnosti a z těchto věcí bychom mohli potenciálně vyrábět celá auta, až po flexibilní solární panely bez křemíku, které měří rekordní 15,6% účinnost.

Dosažitelnější je však použití grafenu při vývoji super pevných kompozitních materiálů a kompaktních, silných lithium-sírových baterií.

MAPL-Xi-katoda Fotografie prostřednictvím AIP Publishing

Podle amerického fyzikálního institutu jsou lithium-sirné baterie mnohem hustší než lithium-iontové baterie a mají schopnost ukládat čtyřikrát více energie než jejich protějšky. Síra je navíc neuvěřitelně levná.

Nešťastnou stránkou je, že i když jsou tyto baterie účinné, mají krátkou životnost, protože se síra rozpouští v kapalných elektrolytech.

Tady přichází grafen. S vodivou látkou působící jako fyzická bariéra uvnitř baterie je přenos energie stále povolen bez aktivní degradace síry, ke které dochází při blízkém kontaktu.

Grafen však lze použít také ke zlepšení lithium-iontových baterií.

S těmito uhlíkovými kryty vám zbývá jednotka pro skladování energie, která je lehčí, menší, levnější, hustší a má vyšší toleranci k přebíjení než lithium-iontová.

Grafen však lze použít také ke zlepšení lithium-iontových baterií a nikdy neuhodnete, která automobilka dělá v tomto oboru největší vlny.

Tesla údajně vyvíjí technologii, která zvýší dojezd svých vozidel z přibližně 300 mil na téměř 500 mil pomocí bateriových elektrod na bázi grafenu. Pamatujte, že médium vede elektřinu jako jen málo látek, což znamená vyšší kapacitu a celkové rychlejší nabíjení.

Existují však určité problémy.

Nevýhody

Jak je psáno, neexistuje žádný komerčně dostupný prostředek hromadné výroby grafenu. A protože je tak nový (byl objeven v roce 2003 a poprvé vyroben v roce 2004), jsou technologie použité ke zpracování stále v plenkách. Jsou tedy drahé.

Přesněji řečeno, vytváření super-materiálu ve skutečné dvojrozměrné formě je ve velkém měřítku obtížné. 2D krystaly mají sklon ohýbat se do třetí dimenze, když je materiál pěstován chemickými syntetizacemi, takže k vytvoření skutečného 2D materiálu jsou vědci nuceni používat jiné metody.

Lamborghini Sesto Elemento Lamborghini Sesto Elemento

V současné době je nejběžnější technikou syntézy vysoce kvalitního grafenu známá exfoliace nebo štěpení, které odlepují jednovrstevné vrstvy 3D grafitu pomocí lepicí pásky a dostanou se k jedinému atomovému listu. Jak asi tušíte, tato metoda je mimořádně neúčinná pro množství síťovaného materiálu.

Ale v automobilovém světě, který se neustále snaží zlepšit efektivitu a výkon, musíte někdy přemýšlet v malém.

Závěr

Většina odborníků souhlasí s tím, že technologie EV brzdí elektromobily. Se současnou technologií existují obavy z nákladů, hmotnosti, velikosti a - především - rozsahu.

Grafen je potenciální lék na téměř všechny tyto problémy, ale tím to nekončí.

Tento „zázračný materiál“ by mohl nahradit vybrané komponenty z uhlíkových vláken, oceli a hliníku, které dnes v našich automobilech existují, a celkově odlehčit naši zátěž ve snaze o výkon a efektivitu. Jedná se o vzorec sportovního vozu, který může pomoci na trati i mimo ni.

Podívejte se na Ford F-150 z roku 2015, který ušetřil 700 liber přechodem z ocelového na hliníkové tělo. Představte si, co by vývoj grafenu mohl přinést v příštích 20 letech. Mírní každodenní řidiči, kteří potřebují téměř žádnou sílu k pohybu a jsou neuvěřitelně bezpeční? Zaregistrujte se.

Pokud jde o rok 2014, světový trh s materiálem je skromných zhruba 20 milionů dolarů. Ale opět začínáme v malém.

Bude uhlík, stavební kámen všeho života na Zemi, dalším krokem automobilové evoluce?

Počkej a uvidíš.

Poslední příspěvky