Rachel Swaby

Als Kohlefaser in den 1960er Jahren zum ersten Mal in Feststoffraketenmotorgehäusen und Panzern zum Einsatz kam, war sie bereit, nicht nur Glasfaser, sondern auch eine ganze Reihe anderer Materialien zu übernehmen.

Was ist passiert?

50 Jahre später ist es immer noch ein exotisches Material. Sicher, Batman hat es in seinem Anzug, teure Autos haben ein paar Brocken davon in ihren Armaturenbrettern und Leistungsteilen, aber mit 10 Dollar pro Pfund am unteren Ende ist es immer noch zu teuer für einen breiten Einsatz. Wir verwenden dieses Zeug seit Jahrzehnten. Wo ist unser materialwissenschaftliches Mooresches Gesetz, um dieses Zeug billig zu machen? Warum ist dieses Zeug immer noch so teuer?

Es stellt sich heraus, dass selbst ein halbes Jahrhundert später dieses Zeug immer noch ein großer Schmerz im Arsch ist.Bevor Kohlefaser zu Kohlefaser wird, beginnt sie als Basismaterial — normalerweise ein organisches Polymer mit Kohlenstoffatomen, die lange Molekülketten miteinander verbinden, die als Polyacrylnitril bezeichnet werden. Es ist ein großes Wort für ein Material, das den Acrylfarben in Pullovern und Teppichen ähnelt. Aber im Gegensatz zu Boden- und Bekleidungsacrylen hat die Art, die zu einem Material wird, das stärker und leichter als Stahl ist, einen höheren Preis. Ein Drei-ish-Dollar pro Pfund Startpreis kann nicht exorbitant klingen, aber in seiner Herstellung, die Zahl Spitzen.

Sehen, zu erhalten die carbon teil von carbon faser, hälfte der ausgangs material der acryl bedürfnisse zu getreten werden weg. „Das Endprodukt kostet das Doppelte dessen, was Sie begonnen haben, weil die Hälfte abbrennt“, erklärt Bob Norris von der Polymer Matrix Composites Group des Oak Ridge National Laboratory. „Bevor Sie überhaupt Energie und Ausrüstung berücksichtigen, beträgt der Vorläufer im Endprodukt etwa 5 US-Dollar pro Pfund.“Dieser Preis — $ 5 pro Pfund – ist auch die magische Zahl, um Kohlefaser in Mainstream-Automobilanwendungen zu bringen. Sieben Knochen reichen aus, aber fünf machen den größten Spritzer. So wie es aussieht, hat das Basismaterial allein bereits das Budget gesprengt.

Es gibt noch mehr. Das Acryl zu zwingen, seine Nicht-Kohlenstoffatome abzuwerfen, erfordert monströse Maschinen und viel Wärme. Der erste von zwei Hauptverarbeitungsschritten ist die Oxidationsstabilisierung. Hier werden Fasern kontinuierlich durch 50-100 Fuß lange Öfen geleitet, die Wärme im Bereich von mehreren hundert Grad Celsius abpumpen. Der Prozess dauert Stunden, also ist es ein massiver Energiefresser.

Dann durchläuft das Material eine sogenannte Karbonisierung. Obwohl die Öfen hier kürzer sind und nicht so lange laufen, arbeiten sie bei viel höheren Temperaturen — wir nehmen für den ersten Schritt etwa 1000 Grad Celsius und dann eine weitere Heizrunde mit noch höheren Temperaturen. Das ist eine Stromrechnung, an die du nicht einmal denken willst.

Und es endet nicht dort. Hersteller müssen sich auch mit dem Acryl auseinandersetzen, das während des Heizvorgangs nicht festhält. Abgase müssen behandelt werden, um die Umwelt nicht zu vergiften. Es ist nicht billig, grün zu sein. „Es ist viel Energie, viel Immobilien und viel große Ausrüstung“, sagt Norris. Und das gerade bei der Herstellung der einzelnen Fasern selbst.

Nehmen wir uns eine Sekunde Zeit, um darüber zu sprechen, wo wir uns im Herstellungsprozess befinden und wohin wir versuchen zu gelangen. Dieses fantastisch aussehende, steinharte, ultraleichte, glänzende Panel mit seinem sichtbaren Gewebe ist das, woran Sie denken, wenn Sie an Kohlefaser denken, oder? Nun, wir haben gerade die Stränge gemacht; wir müssen sie immer noch in einem Gitter anordnen, das die unidirektionale Stärke des Materials nutzt und sie miteinander verbindet.

Das Nageln des gewebten Produkts bedeutet, sicherzustellen, dass alle Stränge ihr Gewicht ziehen. „Man muss sich Sorgen machen, dass die Fasern alle parallel und gleichmäßig gedehnt sind“, erklärt Rob Klawonn, Präsident des Kohlefaserherstellers Toho Tenax America. Ein gewellter Strang in einem Gitter belastet eine gerade Faser zusätzlich, und diese gerade Faser bricht zuerst. Um die Möglichkeit eines unvollkommenen Gewebes auszugleichen, könnten die Hersteller zehn Prozent mehr der bereits teuren Fasern einfädeln als nötig.

Allein die Stränge sind nicht das starke Zeug, das Hersteller brauchen. Sie sind ein Verstärker wie Stahl in Beton. Im Moment arbeiten Carbonfasern mit einem duroplastischen Harz. Zusammen bilden sie einen Verbund, der manipuliert werden kann, um eine bestimmte Form anzunehmen. Das Problem ist, dass, sobald das Harz in einem Autoklaven geformt und ausgehärtet wurde, diese Form nicht geändert werden kann, ohne die strukturelle Integrität des Produkts zu beeinträchtigen. Ein kleiner Fehler bedeutet viel Verschwendung – und Zeit. Das Duroplastieren dauert über eine Stunde, was eine lange Zeit ist, wenn man bedenkt, wie schnell die Automobilindustrie Karosserieteile stempelt.

Kohlefaser erfordert also nicht nur eine geniale Lösung, um sie in eine niedrigere Preisklasse zu bringen, sondern eine komplette Systemüberholung. Wie bei allem, was eine große finanzielle Belohnung bietet, ist die Branche dabei.

Diese Pullover-Typ Acryl, zum Beispiel, könnte anstelle der, die Hersteller verwenden jetzt verwendet werden. „Die Ausrüstung ist weniger spezialisiert, so dass die Vorläuferkosten um 20-30 Prozent gesenkt werden könnten“, sagt Norris. Sie prüfen auch erneuerbare Kohlefaserstarter wie Lignin, das aus Holz stammt, anstelle des aktuellen Materials auf Erdölbasis.Alternative Umwandlungsprozesse – nämlich der Austausch von Wärme gegen Plasmaheizung – könnten ebenfalls die Kosten senken. „Es verkürzt die Zeit, weil Sie nicht den gesamten Ofen heizen müssen; sie erzeugen das Plasma, um die Filamente zu umgeben „, erklärt Norris.

Wissenschaftler haben den chemischen Prozess, um Kohlefaser mit thermoplastischen Harzen zu arbeiten, noch nicht ganz genagelt. Aber sobald sie dies tun, prognostiziert Klawonn von Toho Tenax America eine Kostensenkung von 60-70% im Konvertierungsprozess. Die große Veränderung besteht darin, dass Thermoplaste schnell aushärten und geschmolzen und umgeschmolzen werden können, was den Abfall bei Fehlern begrenzt.

Der Wandel zeichnet sich ab. Norris weist darauf hin, dass Kohlefaser anstelle von Aluminium in neueren Verkehrsflugzeugen wie dem Airbus A380 installiert wurde. „Sie bewegen sich mehr Mainstream, aber bis jetzt war es immer in Branchen, die es sich leisten können, für die Leistung zu bezahlen.“ Hoffen wir nur, dass die Kosten sinken, bevor es die Branchen tun, die sie brauchen.

Rachel Swaby ist eine freiberufliche Schriftstellerin, die in San Francisco lebt. Schau sie dir auf Twitter an.

Industrieofen Bild mit freundlicher Genehmigung von Harper International.

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