Ученые: Можем ли мы делать автомобили из нефтяных отходов?

Прочитано: 223 раз(а)
1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (1 голосов, среднее: 5,00 из 5)
Loading ... Loading ...


Поскольку мир борется за повышение эффективности автомобилей и других транспортных средств, чтобы ограничить выбросы парниковых газов и увеличить запас хода электромобилей, поиск все более легких материалов, достаточно прочных, чтобы их можно было использовать в кузовах автомобилей.

Легкие материалы из углеродного волокна, аналогичные материалам, используемым для изготовления некоторых теннисных ракеток и велосипедов, сочетают исключительную прочность с малым весом, но их производство обходится дороже, чем аналогичные конструктивные элементы из стали или алюминия. Теперь исследователи из Массачусетского технологического института и других стран придумали способ изготовления этих легких волокон из сверхдешевого сырья: тяжелых, липких отходов, оставшихся после переработки нефти, материала, который сегодня нефтеперерабатывающие заводы поставляют для малоценных приложений, таких как асфальта или, в конечном итоге, относиться к ним как к отходам.

Новое углеродное волокно не только дешево в производстве, но и имеет преимущества по сравнению с традиционными материалами из углеродного волокна, поскольку оно может иметь прочность на сжатие, что означает, что его можно использовать для несущих конструкций. Новый процесс описан в журнале Science Advances в статье аспиранта Асмиты Яны, научного сотрудника Николы Ферралис, профессора Джеффри Гроссмана и еще пяти человек из Массачусетского технологического института, Западного исследовательского института в Вайоминге и Национальной лаборатории Ок-Ридж в Теннесси.

Исследование началось около четырех лет назад в ответ на запрос Министерства энергетики, которое искало способы сделать автомобили более эффективными и снизить расход топлива за счет снижения их общего веса. «Если вы посмотрите на ту же модель автомобиля сейчас, по сравнению с тем, что было 30 лет назад, вы увидите, что она значительно тяжелее», — говорит Ферралис. «Вес автомобилей в той же категории увеличился более чем на 15 процентов».

Более тяжелый автомобиль требует более мощного двигателя, более сильных тормозов и т. д., поэтому уменьшение веса кузова или других компонентов имеет волновой эффект, который приводит к дополнительной экономии веса. Министерство энергетики настаивает на разработке легких конструкционных материалов, которые не уступают по безопасности сегодняшним обычным стальным панелям, но при этом могут быть сделаны достаточно дешево, чтобы полностью заменить сталь в стандартных автомобилях.

Композиты из углеродных волокон — не новая идея, но пока что в автомобильном мире они использовались только в нескольких очень дорогих моделях. Новое исследование направлено на то, чтобы изменить ситуацию, предоставив недорогой исходный материал и относительно простые методы обработки.

Углеродные волокна качества, необходимого для использования в автомобилях, в настоящее время стоят не менее 10-12 долларов за фунт, говорит Ферралис, и «могут быть намного дороже», до сотен долларов за фунт для специализированного применения, такого как компоненты космических кораблей. Это сопоставимо с примерно 75 центами за фунт стали или 2 долларами за алюминий, хотя эти цены сильно колеблются, а материалы часто зависят от иностранных источников. По его словам, при таких ценах изготовление пикапа из углеродного волокна вместо стали обойдется примерно в два раза дороже.

Эти волокна обычно изготавливаются из полимеров (таких как полиакрилонитрил), полученных из нефти, но с использованием дорогостоящей промежуточной стадии полимеризации углеродных соединений. По словам Ферралиса, стоимость полимера может составлять более 60 процентов от общей стоимости конечного волокна. Вместо того, чтобы использовать очищенный и переработанный нефтепродукт для начала, новый подход команды использует то, что по сути представляет собой отбросы, оставшиеся после процесса очистки, материал, известный как нефтяной пек. «Это то, что мы иногда называем дном бочки», — говорит Ферралис.

«Подача невероятно грязная», — говорит он. Это смесь смешанных тяжелых углеводородов, и «на самом деле это то, что делает его в некотором роде красивым, потому что в нем так много химии, которую можно использовать. Это делает его захватывающим материалом для начала».

Он бесполезен для сжигания — хотя он может гореть, это слишком грязное топливо, чтобы быть практичным, и это особенно верно в связи с ужесточением экологических норм. «Его так много, — говорит он, — внутренняя ценность этих продуктов очень низка, поэтому их часто выбрасывают на свалку». Альтернативным источником пека, который также протестировала команда, является каменноугольный пек, аналогичный материал, являющийся побочным продуктом коксующегося угля, используемый, например, для производства стали. Этот процесс дает около 80 процентов кокса и 20 процентов каменноугольного пека, «что в основном является отходом», — говорит он.

Работая в сотрудничестве с исследователями из Окриджской национальной лаборатории, у которых был опыт производства углеродных волокон в различных условиях, от лабораторных до масштабов пилотных заводов, команда приступила к поиску способов прогнозирования производительности для того, чтобы чтобы направлять выбор условий для этих экспериментов по изготовлению.

«Процесс, который вам нужен для изготовления углеродного волокна [из пека], на самом деле чрезвычайно минимален, как с точки зрения энергетических потребностей, так и с точки зрения фактической обработки, которую вам нужно выполнить», — говорит Ферралис.

Яна объясняет, что смола «состоит из этого разнородного набора молекул, и вы ожидаете, что если вы измените форму или размер, вы ожидаете, что свойства резко изменятся», тогда как промышленный материал должен иметь очень стабильные свойства.

Тщательно смоделировав способы образования связей и перекрестных связей между составляющими молекулами, Яна смогла разработать способ прогнозирования того, как заданный набор условий обработки повлияет на свойства получаемого волокна. «Мы смогли воспроизвести результаты с такой поразительной точностью, — говорит она, — что компании смогли взять эти графики и предсказать» такие характеристики, как плотность и модуль упругости волокон.

Работа дала результаты, показывающие, что, регулируя начальные условия, можно сделать углеродные волокна, которые будут не только прочными на растяжение, как большинство таких волокон, но и прочными на сжатие, что означает, что они потенциально могут использоваться в приложениях, несущих нагрузку. По их словам, это открывает совершенно новые возможности для использования этих материалов.

Министерство энергетики призывало к проектам по снижению стоимости легких материалов ниже 5 долларов за фунт, но команда Массачусетского технологического института считает, что их метод может работать лучше, достигая примерно 3 долларов за фунт, хотя они еще не провели подробного экономического анализа.

«Новый маршрут, который мы разрабатываем, связан не только с затратами, — говорит Ферралис. «Это может открыть новые приложения, и это не обязательно должны быть транспортные средства». Часть сложности изготовления обычных волокнистых композитов заключается в том, что волокна должны быть превращены в ткань и уложены в виде точных, детализированных узоров. Причина этого, по его словам, «в том, чтобы компенсировать недостаток прочности на сжатие». По его словам, преодоление недостатков материала — это инженерная задача, но с новым процессом вся эта дополнительная сложность не потребуется.

В исследовательскую группу входили Тайшань Чжу и Яньмин Ван из Массачусетского технологического института, Джерами Адамс из Западного резервного университета, а также Логан Кирни и Амит Наскар из Окриджской национальной лаборатории.

Ученые: Можем ли мы делать автомобили из нефтяных отходов?



Новости партнеров