Οι ίνες άνθρακα χρησιμοποιούνται κυρίως για το ελαφρύ βάρος τους και εκτιμώνται για τη δύναμη και την ακαμψία τους. Αλλά όταν ο Leif Asp εξετάζει το υλικό, βλέπει μια ευκαιρία να το κάνει διπλό καθήκον με τρόπο που θα μπορούσε να βελτιώσει δραστικά την αποτελεσματικότητα των αυτοκινήτων και των αεροπλάνων.
"Η μπαταρία είναι δομικό παράσιτο" λέει ο μηχανικός και καθηγητής στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο Chalmers της Σουηδίας, κάτι που σημαίνει ότι αυξάνει την αποδοτικότητα χωρίς να συμβάλλει στη φυσική δύναμη και τη δομή του αυτοκινήτου που τροφοδοτεί. Αλλά τι γίνεται αν τα οχήματα είναι κατασκευασμένα από μπαταρίες;
Αυτό είναι όπου Asp είναι πραγματικά πηγαίνει με αυτή την τεχνολογία. Θέλει να δει τα αυτοκίνητα, τα αεροπλάνα, τα σκάφη, ακόμα και τα smartwatch και άλλα ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης κατασκευασμένα από υλικό που ενεργεί τόσο ως σώμα όσο και ως πηγή ενέργειας - κάτι γνωστό ως "δομική μπαταρία". Ένα αυτοκίνητο που ενσωματώνει δομικές μπαταρίες θα μπορούσε να ζυγίσει μέχρι 50 τοις εκατό λιγότερο από ένα τυπικό EV που έχει βαριές μπαταρίες ιόντων λιθίου συσκευασμένες κάτω από αυτό, λέει η Asp.
Δεν είναι είδηση ότι οι ίνες άνθρακα έχουν ηλεκτροχημικές ιδιότητες. Όπως και ο γραφίτης, το υλικό είναι, σε ορισμένες διαμορφώσεις, ικανό για αγωγιμότητα. Οι ερευνητές του Τεχνολογικού Πανεπιστημίου Chalmers έχουν υποβάλει αίτηση για δίπλωμα ευρεσιτεχνίας των Η.Π.Α. σε μια μπαταρία από ίνες άνθρακα, αλλά στην πραγματικότητα φέρνοντας κάποιον στην αγορά έχει αποδειχθεί δύσκολο για τον μικρό αριθμό ανθρώπων που μελετούν την ιδέα. Νέα έρευνα από την ομάδα της Asp έχει εντοπίσει μια ιδιαίτερη πτυχή του υλικού που κάνει την πιθανή χρήση της ως δομικές μπαταρίες πολύ πιο ρεαλιστική.
Leif Asp με καρούλι από νήματα από ανθρακονήματα (Johan Bodell, Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο Chalmers) Όλος ο άνθρακας δεν δημιουργείται όμως ίσος και διαφορετικοί τύποι άνθρακα έχουν διαφορετικές ιδιότητες που τις καθιστούν εφαρμόσιμες σε διαφορετικές χρήσεις. Ο στόχος της Asp είναι να κατανοήσει τι συμπεριφέρεται πώς και γιατί εφαρμόζει αυτό στις δομικές εφαρμογές.
"Οι ίνες άνθρακα που διατίθενται στην αγορά, έχουν κατασκευαστεί για δομικές εφαρμογές ή για ηλεκτρικές εφαρμογές", λέει. Οι δομικές εφαρμογές είναι αυτό που είμαστε πιο εξοικειωμένοι με τον άνθρακα που παράγει ποδήλατα και άλλα ισχυρά, ελαφριά προϊόντα, αλλά ηλεκτρικά εξαρτήματα κατασκευάζονται μερικές φορές από το υλικό, αν και διαφορετικό. Πιστεύει ότι υπάρχει άνθρακας που μπορεί να κάνει και τα δύο.
Στην τελευταία έρευνα, ο Asp και οι συνεργάτες του συνέκριναν τρία σύνθετα υλικά και τα εξέτασαν μέσω ηλεκτρονικής μικροσκοπίας και φασματοσκοπίας λέιζερ. Κατασκεύασαν την ίνα σε μπαταρίες, εξέτασαν το μέγεθος και τον προσανατολισμό των κρυστάλλων των ατόμων άνθρακα που είχαν συνδεθεί μεταξύ τους και συνέκριναν την ακαμψία, τη δύναμη και τις ηλεκτροχημικές ιδιότητες των διαφορετικών υλικών. Οι μικρότεροι κρύσταλλοι, με πιο αποπροσανατολισμένη δομή, τείνουν να είναι πιο ηλεκτροχημικώς αντιδραστικοί - δηλαδή είναι πιο ικανοί να καταλαμβάνουν, να αποθηκεύουν και να απελευθερώνουν ηλεκτρόνια και έτσι να ενεργούν ως μπαταρίες. Ωστόσο, αυτοί οι τύποι άνθρακα είναι λιγότερο σκληροί από εκείνους με κρυστάλλους που είναι μακρύτεροι και παρατάσσονται. (Είτε έτσι είτε αλλιώς είναι πολύ μικρές, η Asp συνέκρινε τις ίνες με κρυστάλλους από 18 έως 28 angstroms σε κρυστάλλους από 100 έως 300 angstroms και ένα angstrom είναι ένα δέκα δισεκατομμύριο ενός μέτρου.)
Το όραμα των ερευνητών είναι οχήματα στα οποία ένα μεγάλο μέρος του αμαξώματος του αυτοκινήτου ή της ατράκτου του αεροπλάνου αποτελείται από δομικές μπαταρίες ιόντων λιθίου. (Yen Strandqvist, Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο Chalmers) Χρησιμοποιώντας μια ίνα άνθρακα που θυσιάζει κάποια ακαμψία για να επιτύχει καλύτερη αγωγιμότητα μπορεί να μην είναι πρόβλημα, επειδή το υλικό ήταν ακόμα πιο άκαμπτο από το χάλυβα και ικανό να φέρει δομικό φορτίο. Επίσης, δεν θα επιβαρύνεται με το τίμημα με τις παραδοσιακές μπαταρίες, αλλά αν το μεγαλύτερο μέρος του αυτοκινήτου αποτελείται από το υλικό, δεν θα χρειαστεί, επειδή η συνολική απόδοση θα αυξηθεί σημαντικά. Οι εταίροι της βιομηχανίας όπως η Airbus, η οποία συνεργάζεται με την Asp από το 2015, αναφέρονται ως "μαζική αποθήκευση ενέργειας".
Ακόμα, είναι τεχνολογία που απέχει πολύ από το να είναι πρακτική - πιθανώς δεκαετίες, λέει ο Adrian Mouritz, εκτελεστικός κοσμήτορας της σχολής μηχανικής στο Πανεπιστήμιο RMIT στη Μελβούρνη. Ο Mouritz εργάζεται επίσης για την αποθήκευση δομικής ενέργειας χρησιμοποιώντας ίνες άνθρακα, αλλά το έργο του ενσωματώνει μπαταρίες ιόντων λιθίου σε σάντουιτς άνθρακα, συμβάλλοντας στη μεταφορά μέρους του δομικού φορτίου και τη μείωση του νεκρού βάρους των μπαταριών, αν και όχι τόσο εκτεταμένα όσο η έκδοση του Asp.
"Η προσέγγιση που παίρνουμε, το σύνθετο υλικό έχει ήδη αποδειχθεί, η ίδια η μπαταρία έχει ήδη αποδειχθεί. Το μόνο που προσπαθούμε να αποδείξουμε είναι η ενσωμάτωση της μπαταρίας στο σύνθετο, το οποίο είναι ένα πολύ μικρότερο βήμα για να ληφθεί ", λέει ο Mouritz. "Το Leif είναι ... πιο τεχνικά πολύπλοκο, αλλά τα οφέλη του μακροπρόθεσμα θα είναι πιο δυνατά. Απαιτεί ακόμα πολύ περισσότερη έρευνα και ανάπτυξη για τη βελτιστοποίηση των υλικών και του σχεδιασμού του πραγματικού συστήματος. "
Το Asp και το εργαστήρι του εργάζονται για να το καταστήσουν βιώσιμο ήδη. Πρόωρη έρευνα (2014 και προηγουμένως) τροποποιημένες ίνες άνθρακα, εισάγοντας μια θήκη των πολυστρωματικών πολυμερών ηλεκτρολυτών που βοηθούν την αποθήκευση των ινών και την απελευθέρωση των ιόντων πιο αποτελεσματικά, με τον ίδιο τρόπο που μια μπαταρία ιόντων λιθίου χρησιμοποιεί ηλεκτρολύτη που παρεμβάλλεται.
"Για να πετάξει αυτό, φυσικά, θα ήταν πολύ μακριά", λέει η Asp. Εργάζεται με την Airbus για να δημιουργήσει ένα demo για κυκλοφορία το επόμενο έτος, το οποίο αντικαθιστά τα εσωτερικά φώτα και τα καλώδια με δομικές ίνες άνθρακα. Αν και η μεγαλύτερη εξοικονόμηση βάρους θα μπορούσε να αποβεί στην εξάλειψη της ανάγκης για καύσιμα, κάτι που ο Mouritz αναφέρει ότι αντιπροσωπεύει το ένα τρίτο ή περισσότερο του λειτουργικού προϋπολογισμού μιας αεροπορικής εταιρείας, το demo του Airbus θα είναι μια εικόνα ότι η τεχνολογία είναι βιώσιμη.
Ο Mouritz βλέπει την τεχνολογία που εφαρμόζεται για τα αυτοκίνητα πολυτελείας και τα αγωνιστικά αυτοκίνητα της Formula 1 πρώτα, και την ευρεία υιοθεσία στην καταναλωτική αγορά μόλις η τιμή πέσει κάτω και επιβεβαιωθεί η αξιοπιστία. "Εάν μπορείτε να ελαφρύνετε το αεροσκάφος σας, εάν μπορείτε να ελαφρύνετε το αυτοκίνητό σας, η πραγματική καθαρή εξοικονόμηση κόστους αυτού είναι στα εκατοντάδες εκατομμύρια, αν όχι στα δισεκατομμύρια των δολαρίων", λέει.
"Το άλλο πράγμα, φυσικά, " προσθέτει ο Mourtiz, "είναι ότι αν μειώσω τα καύσιμα καίγονται, μειώνω τις εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου."
