Rachel Swaby

kun hiilikuitua alettiin 1960-luvulla ujuttaa kiinteisiin rakettimoottorikoteloihin ja panssarivaunuihin, se oli valmis ottamaan lasikuidun lisäksi myös koko joukon muita materiaaleja.

tuore Video

Tämä selain ei tue videoelementtiä.

Mitä tapahtui?

50 vuotta myöhemmin se on yhä eksoottista materiaalia. Batmanilla on se puvussaan, kalliissa autoissa on sitä kojelaudassa ja suorituskyvyssä, – mutta 10 dollaria paunalta alapäässä, se on silti liian kallis laajamittaiseen käyttöön. Olemme käyttäneet tätä vuosikymmeniä. Missä on Mooren laki tehdä tästä halpaa? Miksi tämä on vielä niin kallista?

Mainos

käy ilmi, että vielä puoli vuosisataa myöhemmin tämäkin tavara on melkoista riesaa tehdä.

ennen kuin hiilikuidusta tulee hiilikuitua, se alkaa perusmateriaalina—yleensä orgaanisena polymeerinä, jonka hiiliatomit sitovat yhteen pitkiä molekyylijonoja, joita kutsutaan polyakryylinitriiliksi. Se on iso sana materiaalille, joka muistuttaa villapaitojen ja mattojen akryylejä. Mutta toisin kuin lattia-ja vaateakryylit, sellaisella, joka muuttuu terästä vahvemmaksi ja kevyemmäksi materiaaliksi, on korkeampi hintalappu. Kolmen dollarin per punnan lähtöhinta ei ehkä kuulosta kohtuuttomalta, mutta sen valmistuksessa määrä piikki.

Katso, jotta hiilikuidun hiiliosasta saadaan irti puolet lähtöaineen akryylistä. ”Lopputuote maksaa tuplasti sen, minkä aloitit, koska puolet palaa”, selittää Bob Norris Oak Ridge National Laboratoryn polymer matrix composites Groupista. ”Ennen kuin edes ottaa huomioon energiaa ja laitteita, esiaste lopputuotteessa on jotain noin $5 kiloa.”

tuo hinta—5 dollaria paunalta—on myös maaginen numero hiilikuidun saamiseksi valtavirran autosovelluksiin. Seitsemän luuta riittää, mutta viisi saa aikaan suurimman loiskahduksen. Nykyisellään pelkkä perusmateriaali on jo räjäyttänyt budjetin.

on muutakin. Akryylin pakottaminen luopumaan ei-hiiliatomeistaan vaatii hirvittäviä koneita ja paljon lämpöä. Ensimmäinen kahdesta suuresta prosessointivaiheesta on hapetusstabilointi. Täällä kuituja syötetään jatkuvasti 50-100 jalkaa pitkien uunien läpi, jotka pumppaavat lämpöä useiden satojen celsiusasteiden alueella. Prosessi kestää tunteja, joten se syö valtavasti energiaa.

silloin materiaali käy läpi niin sanotun karbonisaation. Vaikka uunit täällä ovat lyhyempiä ja eivät toimi niin kauan, ne toimivat paljon korkeammissa lämpötiloissa—otamme noin 1000 celsiusastetta aluksi ennen ja sitten toinen kierros lämmitystä vieläkin korkeammissa lämpötiloissa. Sitä sähkölaskua ei kannata edes ajatella.

eikä se lopu siihen. Valmistajien on myös käsiteltävä akryyli, joka ei pidä lämmityksen aikana. Off-kaasuja on käsiteltävä, jotta ne eivät myrkytä ympäristöä. Ei ole halpaa olla vihreä. ”Siinä on paljon energiaa, paljon kiinteistöjä ja paljon isoja laitteita”, Norris sanoo. Ja se on vain yksittäisten kuitujen valmistuksessa.

puhutaan hetki siitä, missä ollaan valmistusprosessissa ja mihin yritetään päästä. Tuo mahtavan näköinen, kivenkova, ultrakevyt, kiiltävä paneeli näkyvine kudoksineen on se, mitä hiilikuidusta tulee mieleen. Olemme juuri tehneet säikeitä.; meidän on silti järjestettävä ne ristikoksi, joka hyödyntää materiaalin yksisuuntaista voimaa ja sitoo ne yhteen.

kudotun tuotteen naulaaminen tarkoittaa sen varmistamista, että kaikki säikeet vetävät painonsa. ”Täytyy olla huolissaan siitä, että kuidut ovat kaikki samansuuntaisia ja ne ovat kaikki venyneet tasaisesti”, selittää
hiilikuituvalmistaja toho Tenax American toimitusjohtaja Rob Klawonn. Aaltoileva juoste ristikossa aiheuttaa ylimääräistä stressiä suoralle kuidulle, ja Tuo Suora päätyy katkeamaan ensin. Epätäydellisen kudonnan mahdollisuuden korvaamiseksi valmistajat voisivat pujottaa jo valmiiksi kalliita kuituja kymmenen prosenttia enemmän kuin on tarpeen.

pelkät säikeet eivät ole sitä vahvaa tavaraa, jota valmistajat tarvitsevat. Ne ovat vahvistin kuin teräs betonissa. Juuri nyt hiilikuidut toimivat lämpöhartsilla. Yhdessä ne tekevät komposiitin, jota voidaan manipuloida ottamaan tietty muoto. Ongelmana on, että kun hartsi on muotoiltu ja kovetettu autoklaavissa, tätä muotoa ei voida muuttaa ruuvaamatta tuotteen rakenteellista eheyttä. Pieni virhe tarkoittaa paljon tuhlausta-ja aikaa. Lämpökoostutus kestää yli tunnin, mikä on pitkä aika ottaen huomioon, kuinka nopeasti autoteollisuus leimaa koripaneelit.

joten hiilikuitu ei vaadi vain yhtä nerokasta korjausta saadakseen sen alempaan hintaluokkaan, se vaatii kokonaisen järjestelmäremontin. Kuten mikä tahansa, joka tarjoaa suuren taloudellisen palkkion, teollisuus on sen varassa.

esimerkiksi neuletyyppisiä akryylejä saatetaan käyttää niiden sijaan, joita valmistajat nyt käyttävät. ”Laitteet ovat vähemmän erikoistuneita, joten se saattaa leikata esiastekustannuksia 20-30 prosenttia”, Norris sanoo. He tutkivat myös uusiutuvaa hiilikuitua, kuten ligniiniä, joka tulee puusta, nykyisen öljypohjaisen sijaan.

Vaihtoehtoiset muuntamisprosessit—eli lämpölämmityksen vaihtaminen plasmalämmitykseen—voivat myös alentaa kustannuksia. ”Se lyhentää aikaa, koska sinun ei tarvitse kuumentaa koko uunia; plasmaa syntyy filamenttien ympärille”, Norris selittää.

tutkijat eivät ole aivan vielä lyöneet lukkoon kemiallista prosessia, jolla hiilikuitu saataisiin toimimaan termoplastisten hartsien kanssa. Mutta kun he tekevät, Klawonn toho Tenax America ennustaa 60-70% leikata kustannuksia muuntoprosessissa. Iso muutos on se, että termoplastit ovat nopeita asettaa ja voidaan sulattaa ja sulatetaan uudelleen, mikä rajoittaa jätettä, kun on virhe.

muutos on näköpiirissä. Norris muistuttaa, että uudempiin kaupallisiin lentokoneisiin, kuten Airbus A380: een, on asennettu alumiinin tilalle hiilikuitua. ”He liikkuvat enemmän valtavirtaa, mutta tähän asti se on aina ollut aloilla, joilla on varaa maksaa suorituskykyä.”Toivotaan, että kustannusluolat ehtivät ennen sitä tarvitsevia teollisuudenaloja.

Rachel Swaby on San Franciscossa asuva freelance-kirjailija. Katso häntä Twitteristä.

Industrial uuni image courtesy Harper International.

Giz selittää is: lle, missä hajotamme nogginsin selässä raapivat tieteeseen tai tekniikkaan liittyvät kysymykset. Onko sinulla omia kysymyksiä? Lähetä ne meille osoitteeseen [email protected] katsotaan, vastataanko niihin.