Rachel Swaby

Quando la fibra di carbonio è stata la prima tirata in ballo in solido motore a razzo casi e serbatoi nel 1960, si è in bilico non solo di prendere in vetroresina, ma anche tutta una serie di altri materiali.

Cosa è successo?

50 anni dopo è ancora un materiale esotico. Certo, Batman ce l’ha nel suo vestito, le auto costose ne presentano infarinature nei loro cruscotti e parti di prestazioni, ma a $10 al chilo nella fascia bassa, è ancora troppo caro per una distribuzione su larga scala. Abbiamo usato questa roba per decenni. Dov’è la legge di Moore della scienza dei materiali per rendere questa roba economica? Perché questa roba è ancora così costosa?

scopre che anche mezzo secolo dopo, questa roba è ancora un grande dolore nel culo per farlo.

Prima che la fibra di carbonio diventi fibra di carbonio, inizia come materiale di base—di solito un polimero organico con atomi di carbonio che legano insieme lunghe stringhe di molecole chiamate poliacrilonitrile. È una parola grossa per un materiale simile agli acrilici nei maglioni e nei tappeti. Ma a differenza degli acrilici per pavimenti e abbigliamento, il tipo che si trasforma in un materiale più forte e leggero dell’acciaio ha un prezzo più pesante. Un prezzo di partenza di tre dollari per libbra potrebbe non sembrare esorbitante,ma nella sua produzione, il numero aumenta.

Vedi, per ottenere la parte in carbonio della fibra di carbonio, metà dell’acrilico del materiale di partenza deve essere buttato via. “Il prodotto finale costerà il doppio di quello che hai iniziato perché la metà brucia”, spiega Bob Norris del gruppo polymer matrix composites di Oak Ridge National Laboratory. “Prima ancora di conto per l’energia e le attrezzature, il precursore nel prodotto finale è qualcosa di circa $5 una libbra.”

Quel prezzo—5 5 al chilo—è anche il numero magico per ottenere la fibra di carbonio nelle applicazioni automobilistiche tradizionali. Sette ossa faranno, ma cinque faranno il più grande splash. Così com’è, il solo materiale di base ha già fatto saltare il budget.

C’è di più. Forzare l’acrilico a perdere i suoi atomi non di carbonio richiede macchine mostruose e molto calore. La prima delle due fasi principali di lavorazione è la stabilizzazione dell’ossidazione. Qui le fibre vengono alimentate continuamente attraverso forni lunghi 50-100 piedi che pompano calore nell’intervallo di diverse centinaia di gradi Celsius. Il processo richiede ore, quindi è un enorme mangiatore di energia.

Quindi il materiale passa attraverso una cosiddetta carbonizzazione. Anche se i forni qui sono più brevi e non funzionano più a lungo, funzionano a temperature molto più elevate—stiamo prendendo circa 1000 gradi Celsius per il passo iniziale prima e poi un altro round di riscaldamento con temperature ancora più elevate. E ‘ una bolletta elettrica a cui non vuoi nemmeno pensare.

E non finisce qui. I produttori hanno anche a che fare con l’acrilico che non regge durante il processo di riscaldamento. I gas devono essere trattati in modo da non avvelenare l’ambiente. Non è economico essere verdi. “E’ un sacco di energia, un sacco di immobili, e un sacco di grandi attrezzature, ” dice Norris. E questo è solo nella produzione delle singole fibre stesse.

Prendiamo un secondo per parlare di dove siamo nel processo di produzione, e dove stiamo cercando di ottenere. Quel pannello dall’aspetto fantastico, duro come la roccia, ultraleggero e lucido con la sua trama visibile è ciò a cui pensi quando pensi alla fibra di carbonio, giusto? Beh, abbiamo appena fatto i fili; dobbiamo ancora disporli in un reticolo che sfrutta la forza unidirezionale del materiale e li lega insieme.

Inchiodare il prodotto tessuto significa assicurarsi che tutti i fili stiano tirando il loro peso. “Devi essere preoccupato che le fibre siano tutte parallele e siano tutte allungate in modo uniforme”, spiega Rob Klawonn, presidente di
il produttore di fibre di carbonio, Toho Tenax America. Un filo ondulato in un reticolo metterà ulteriore stress su una fibra diritta, e quella dritta finirà per rompersi per prima. Per compensare la possibilità di una tessitura imperfetta, i produttori potrebbero infilare il dieci percento in più delle fibre già costose di quanto sia necessario.

Da solo, i fili non sono le cose forti di cui i produttori hanno bisogno. Sono un rinforzo come l’acciaio è in cemento. In questo momento le fibre di carbonio lavorano con una resina termoindurente. Insieme formano un composito che può essere manipolato per assumere una certa forma. Il problema è che una volta che la resina è stata modellata e curata in autoclave, quella forma non può essere modificata senza avvitare l’integrità strutturale del prodotto. Un piccolo errore significa un sacco di rifiuti—e tempo. Termoindurente richiede più di un’ora, che è un tempo lungo considerando quanto velocemente l’industria automobilistica timbra fuori pannelli del corpo.

Quindi la fibra di carbonio non richiede solo una soluzione genius per inserirla in una classe di prezzo inferiore, ma richiede un’intera revisione dei sistemi. Come con qualsiasi cosa che offre una grande ricompensa finanziaria, l’industria è su di esso.

Questi acrilici tipo maglione, ad esempio, potrebbero essere usati al posto di quelli che i produttori usano ora. “L’apparecchiatura è meno specializzata, in modo che potrebbe ridurre il costo precursore del 20-30 per cento,” dice Norris. Stanno anche controllando gli antipasti in fibra di carbonio rinnovabile come la lignina, che proviene dal legno, invece delle attuali cose a base di petrolio.

Processi di conversione alternativi—vale a dire lo scambio termico per il riscaldamento al plasma—potrebbero anche ridurre i costi. “Riduce il tempo perché non devi riscaldare l’intero forno; si genera il plasma per circondare i filamenti”, spiega Norris.

Gli scienziati non hanno ancora del tutto inchiodato il processo chimico per far funzionare la fibra di carbonio con le resine termoplastiche. Ma una volta che lo fanno, Klawonn di Toho Tenax America prevede 60-70% taglio dei costi nel processo di conversione. Il grande cambiamento è che i termoplastici sono veloci da impostare e possono essere fusi e rifusi, il che limita gli sprechi quando c’è un errore.

Il cambiamento è all’orizzonte. Norris sottolinea che la fibra di carbonio è stata installata al posto dell’alluminio su nuovi aerei di linea commerciali come l’Airbus A380. “Si stanno muovendo più mainstream, ma fino ad ora è sempre stato in settori che possono permettersi di pagare per le prestazioni.”Speriamo solo che il costo diminuisca prima delle industrie che ne hanno bisogno.

Rachel Swaby è una scrittrice freelance che vive a San Francisco. Controllala su Twitter.

Forno industriale immagine gentilmente concessa da Harper International.

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