Hiilikuitua käytetään ensisijaisesti sen kevyestä painosta, ja se on arvostettu lujuudestaan ja jäykkyydestään. Mutta kun Leif Asp tarkastelee materiaalia, hän näkee mahdollisuuden saada se suorittamaan kaksinkertainen velvollisuus tavalla, joka voisi parantaa dramaattisesti autojen ja lentokoneiden tehokkuutta.
"Akku on rakenteellinen loinen", sanoo insinööri ja professori Chalmersin teknillisestä yliopistosta Ruotsissa. Tarkoituksena on, että se lisää painoa ja säästää tehokkuutta lisäämättä kuitenkaan auton fyysistä vahvuutta ja rakennetta, jota se käyttää. Mutta entä jos ajoneuvot olisi rakennettu paristoista?
Siellä Asp todella menee tämän tekniikan kanssa. Hän haluaa nähdä autoja, lentokoneita, veneitä, jopa älykelloja ja muuta kulutuselektroniikkaa, joka on valmistettu materiaalista, joka toimii sekä kehona että energianlähteenä - jota kutsutaan ”rakenneakkuksi”. Rakenneakkujen auto voi painaa jopa 50 prosenttia vähemmän kuin tyypillisessä EV: ssä, jonka alla on pakattu raskaita litiumioniakkuja, Asp sanoo.
Ei ole uutinen, että hiilikuidulla on sähkökemiallisia ominaisuuksia. Kuten grafiitti, myös materiaali kykenee tietyissä kokoonpanoissa johtavuuteen. Chalmersin teknillisen yliopiston tutkijat ovat hakeneet yhdysvaltalaista patenttia hiilikuiduista valmistetulle akulle, mutta sen tosiasiallinen saattaminen markkinoille on osoittautunut hankalaksi pienelle joukolle ideaa tutkivia ihmisiä. Aspin ryhmän uusi tutkimus on tunnistanut materiaalin erityisen näkökohdan, joka tekee sen käytöstä rakenneakkuina paljon realistisemman.
Leif Asp hilakuitulangan puolalla (Johan Bodell, Chalmersin teknillinen yliopisto) Kaikkia hiilejä ei kuitenkaan luoda tasaveroisia, ja erityyppisillä hiileillä on erilaiset ominaisuudet, jotka tekevät niistä sovellettavissa erilaisiin käyttötarkoituksiin. Aspin tavoitteena on ymmärtää, miten ja miksi käyttäytyy, ja soveltaa sitä rakennesovelluksiin.
"Hiilikuidut, joita on markkinoilla, ne on tehty rakenteellisiin sovelluksiin tai sähkökäyttöön", hän sanoo. Rakenteelliset sovellukset ovat tuttuimpia polkupyörien ja muiden vahvojen, kevyiden tuotteiden muodostavasta hiilestä, mutta myös sähkökomponentit on joskus valmistettu materiaalista, vaikkakin eri tyyppisiä. Hän uskoo, että siellä on hiiltä, joka voi tehdä molemmat.
Viimeisimmässä tutkimuksessaan Asp ja hänen yhteistyökumppaninsa vertasivat kolme komposiittia ja tutkivat niitä elektronimikroskopian ja laserspektroskopian avulla. He rakensivat kuidun paristoihin, tarkastelivat niihin sitoutuneiden hiiliatomien kiteiden kokoa ja suuntaa ja vertasivat eri materiaalien jäykkyyttä, lujuutta ja sähkökemiallisia ominaisuuksia. Pienemmillä kiteillä, joiden rakenne on hajaantunut, on taipumus olla enemmän sähkökemiallisesti reaktiivisia - ts. Ne kykenevät paremmin ottamaan, varastoimaan ja vapauttamaan elektroneja ja toimimaan siten paristoina. Nämä hiilityypit ovat kuitenkin vähemmän jäykkiä kuin ne, joiden kiteet ovat pidempiä ja vuorattuja. (Joka tapauksessa, ne ovat hyvin pieniä; Asp vertasi kuitua kiteissä 18 - 28 angströmiä kiteisiin 100 - 300 angströmiä, ja angstromi on yksi kymmenen miljardia metriä.)
Tutkijoiden visio on ajoneuvoista, joissa suuri osa korin tai lentokoneen rungosta koostuu rakenteellisista litiumioniakuista. (Yen Strandqvist, Chalmersin teknillinen yliopisto) Hiilikuitun käyttäminen, joka uhraa jonkin verran jäykkyyttä paremman johtavuuden saavuttamiseksi, ei välttämättä ole ongelma, koska materiaali oli silti jäykempää kuin teräs ja kykeni kantamaan rakennekuormituksen. Se ei myöskään pidä latausta yhtä tehokkaasti kuin perinteiset akut, mutta silloin, jos suurin osa autosta koostuu tavaroista, sitä ei tarvitse tehdä, koska yleinen hyötysuhde kasvaa edelleen huomattavasti. Teollisuuskumppanit, kuten Airbus, joka on työskennellyt Aspin kanssa vuodesta 2015, viittaavat tähän "massaton energian varastointi".
Silti se on tekniikka, joka on kaukana käytännöllisestä - mahdollisesti vuosikymmenien ajan, sanoo Melbournessa sijaitsevan RMIT-yliopiston teknillisen korkeakoulun insinööritieteen dekaani Adrian Mouritz. Mouritz työskentelee myös rakenteellisessa energian varastoinnissa hiilikuitua käyttämällä, mutta hänen työnsä upottaa litiumioniakkuja hiilivoileipiin, auttaen kantamaan osan rakenteellisesta kuormasta ja vähentämään paristojen kuormitusta, vaikkakaan ei niin laajasti kuin Aspin versio.
”Käytäntömme mukaisesti komposiittimateriaali on jo todistettu, itse akku on jo todistettu. Ainoa, mitä yritämme todistaa, on akun integrointi komposiittiin, mikä on paljon pienempi vaihe ”, Mouritz sanoo. ”Leif's on… teknisesti monimutkaisempi, mutta sen hyödyt pitkällä tähtäimellä tulevat olemaan vahvempia. Se vaatii vain paljon enemmän tutkimusta ja kehitystä todellisen järjestelmän materiaalien ja suunnittelun optimoimiseksi. "
Asp ja hänen laboratorionsa pyrkivät tekemään siitä jo elinkelpoista. Varhainen tutkimus (2014 ja aikaisemmat) modifioidut hiilikuitut, ottamalla käyttöön kerros laminoituja polymeerielektrolyyttejä, jotka auttavat kuituja varastoimaan ja vapauttamaan ioneja tehokkaammin, samalla tavalla kuin litiumioniakku käyttää väliintulossa olevaa elektrolyyttiä.
"Jotta tämä lentäisi, olisi tietysti kauan aikaa", Asp sanoo. Hän työskentelee Airbusin kanssa tuottaakseen ensi vuonna julkaistavan demon, joka korvaa sisävalot ja kaapelit rakennehiilellä. Vaikka suurempi painosäästö voi olla polttoainetarpeen poistaminen, jonka Mouritzin mukaan on vähintään kolmasosa lentoyhtiön toimintabudjetista, Airbus-demo on esimerkki tekniikan kannattavuudesta.
Mouritz näkee tekniikan ensisijaisesti ylellisyysautoissa ja Formula 1 -kisa-autoissa ja laajan käyttöönoton kuluttajamarkkinoilla, kun hinta laskee ja luotettavuus on vahvistettu. "Jos pystyt kevyeksi lentokoneeseesi, jos kevyeksi autosi, tämän todelliset nettokustannussäästöt ovat satoja miljoonia, ellei miljardeissa dollareissa", hän sanoo.
"Toinen asia, tietenkin", Mourtiz lisää, "on, jos pienennän polttoaineeni polttoainetta, olen todella vähentänyt kasvihuonekaasupäästöjäni."
