Σε μια νέα μελέτη, ερευνητές του North Carolina State University βρήκαν έναν νέο τρόπο να βελτιώσουν την ενεργειακή απόδοση μέρους της διαδικασίας κατασκευής ανθρακονημάτων – με ένα ισχυρό υλικό που χρησιμοποιείται μερικές φορές στη θέση του χάλυβα για την κατασκευή ελαφρύτερων και δυνητικά πιο αποδοτικών οχημάτων, αεροπλάνων, και άλλων τεχνολογικών προϊόντων.
Στο Journal of Applied Polymer Science, οι ερευνητές ανέφεραν τα αποτελέσματα από ένα πείραμα όπου πρόσθεσαν δύο βιολογικά στοιχεία (προερχόμενα χημικά) που βρέθηκαν σε ορισμένα φρούτα και επί της ουσίας αυτό το υλικό θα χρησιμεύσει για την κατασκευή ινών άνθρακα. Διαπίστωσαν ότι με την προσθήκη των δύο χημικών ουσιών, η έναρξη της διαδικασίας της χημικής μετατροπής για την παραγωγή ανθρακονημάτων απαιτούσε λιγότερη ενέργεια. Οι χημικές ουσίες είναι οξέα ζάχαρης που ονομάζονται γλυκαρικό οξύ (glucaric acid) και βλεννικό οξύ (mucic acid).
«Υπάρχει μια αυξανόμενη ζήτηση για ανθρακονήματα, ιδίως εκείνα που είναι χαμηλού κόστους, και συνάμα που είναι ανθεκτικά και αποδοτικά για τη χρήση που προορίζονται, όπως για παράδειγμα στην αυτοκινητοβιομηχανία, στην κατασκευή αεροπλάνων κ.λπ», δήλωσε η Ericka Ford, επίκουρη καθηγήτρια στον τομέα της μηχανικής, χημείας στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Βόρειας Καρολίνας (North Carolina State University). «Σε αυτή τη μελέτη, διαπιστώσαμε ότι προσθέτοντας τις δύο χημικές ουσίες στο μείγμα του υλικού, μπορούμε ενδεχομένως να μειώσουμε την ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για την ολοκλήρωση ενός σταδίου της διαδικασίας παραγωγής για ανθρακονήματα και συνάμα να συμβάλουμε στη μείωση μέρους του κόστους».
Πριν χρησιμοποιήσουν τις χημικές ουσίες στο εργαστήριο, οι ερευνητές στράφηκαν στη μοντελοποίηση μέσω υπολογιστή για να λάβουν μια προεπισκόπηση του τι θα συνέβαινε όταν πρόσθεταν τις δύο χημικές ενώσεις στο μείγμα του υλικού. Το ενδιαφέρον τους για τα χημικά στοιχεία, τελικά έδειξε πως θα έβρισκε πρακτική εφαρμογή, αφού ένα από αυτά, το γλυκαρικό οξύ, καταχωρήθηκε από το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ ως μια χημική ουσία που δύναται να χρησιμοποιηθεί με ασφάλεια και αποδοτικότητα σε διάφορες βιομηχανίες.
«Μας ενδιέφερε να κατανοήσουμε πως αυτές οι χημικές ουσίες θα αλληλεπιδράσουν με το πρόδρομο υλικό, έτσι χρησιμοποιώντας μοντέλα και προσομοιώσεις υπολογιστή μπορέσαμε να εξετάσουμε τις παραμέτρους αλληλεπίδρασής τους πριν καν ξεκινήσουμε την εργαστηριακή εργασία», δήλωσε η συν-συγγραφέας της μελέτης Hannah Dedmon, από το NC State University.
Στη συνέχεια, δοκίμασαν πειραματικά την κατασκευή του προδρόμου υλικού, ενός πλαστικού υλικού που ονομάζεται πολυακρυλονιτρίλιο (polyacrylonitrile ή εν συντομία PAN) που είναι γνωστό και με την ονομασία ως «ακρυλικό».
Η διαδικασία κατασκευής ανθρακονημάτων με το PAN είναι μια διαδικασία παραγωγής πολύ λεπτών νημάτων.
Πρώτον, φτιάχνουν ένα υλικό που μοιάζει με τζελ που έχει συνοχή παρόμοια με το μέλι. Στη συνέχεια σπρώχνουν αυτό το μείγμα που μοιάζει με «μέλι» μέσα από μια μικροσκοπική βελόνα για να μεταμορφωθεί σε ένα μικρό νήμα, σαν μια μικροσκοπική τρίχα. Στη συνέχεια, θερμαίνουν τις τρίχες σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες. Αυτή η διαδικασία θέρμανσης βοηθά στη μετατροπή των νημάτων PAN σε μια δομή που αποτελεί τη βάση των ινών άνθρακα.
Αυτά τα πρόσθετα μείωσαν την ενέργεια που απαιτείται για την έναρξη της χημικής διαδικασίας κατασκευής της δομής άνθρακα, χρησιμοποιώντας το PAN, κατά πέντε φορές. Οι ερευνητές λένε ότι αυτό θα μπορούσε επίσης να μειώσει το συνολικό κόστος αυτού του σταδίου της διαδικασίας παραγωγής κάνοντας την αντίδραση ταχύτερη.
«Πρόκειται για μικρά μόρια με λειτουργικές ομάδες που είναι ικανά να ξεκινήσουν την αντίδραση πολύ πιο αποτελεσματικά από ό,τι αν δεν ήταν μέσα στην ίνα», δήλωσε ο επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης Debjyoti Banerjee, υποψήφιος διδάκτορας στο NC State University.
Οι ερευνητές σχεδιάζουν να εξετάσουν άλλα πρόσθετα στοιχεία και πιθανώς να χρησιμοποιήσουν μοντέλα υπολογιστών για να προβλέψουν ποια από αυτά θα μπορούσαν να αποφέρουν ακόμη μεγαλύτερη αποδοτικότητα στο χαμηλότερο δυνατό κόστος.
«Μας ενδιαφέρει να δούμε άλλα φυσικά προϊόντα που θα μπορούσαμε να προσθέσουμε στις ίνες PAN και να επηρεάσουμε θετικά τη χρησιμότητα τους για τη μετατροπή τους σε ανθρακονήματα», είπε η Ericka Ford.
Ανθρακονήματα στην κατασκευή ανεμογεννητριών
Επίσης ένας άλλος τομέας που είναι ιδιαίτερα χρήσιμα τα ανθρακονήματα είναι στην κατασκευή ανεμογεννητριών. Τα πτερύγια που περιέχουν ανθρακονήματα ζυγίζουν 25% λιγότερο από αυτά που κατασκευάζονται από παραδοσιακά υλικά από υαλοβάμβακα. Αυτό σημαίνει ότι οι έλικες από ανθρακονήματα θα μπορούσαν να είναι μακρύτερες από αυτές από υαλοβάμβακα και, ως εκ τούτου, να αποφέρουν περισσότερη ενέργεια σε τοποθεσίες με χαμηλό άνεμο . Η μετάβαση σε ανθρακονήματα θα μπορούσε επίσης να παρατείνει τη διάρκεια ζωής του έλικα, επειδή τα υλικά από ανθρακονήματα έχουν υψηλή αντοχή στις κακουχίες και στην κόπωση.
Από όλες τις εταιρείες που παράγουν σήμερα ανεμογεννήτριες, μόνο μία χρησιμοποιεί υλικά από ανθρακονήματα σε μεγάλο βαθμό στα πτερύγια τους. Τα πτερύγια των ανεμογεννητριών είναι οι μεγάλες μονοκόμματες και σύνθετες κατασκευές και η αιολική βιομηχανία θα μπορούσε να βγει κερδισμένη με πολλούς τρόπους, αφού τα υλικά αυτά είναι ελαφρύτερα, φθηνότερα, αντέχουν περισσότερα χρόνια σε αντίθεση με τα πτερύγια που κατασκευάζονται με υαλοβάμβακα.
Ωστόσο, οι βιομηχανίες αιολικής ενέργειας και ανθρακονημάτων δεν δείχνουν να αλληλεπικαλύπτονται επί του παρόντος. Για παράδειγμα η αιολική βιομηχανία σχεδιάζει πτερύγια ανεμογεννητριών χρησιμοποιώντας μόνο εμπορικά διαθέσιμα υλικά, ενώ στην αντίπερα όχθη, οι κατασκευαστές ανθρακονημάτων αντιμετωπίζουν εμπόδια στην καινοτομία, η οποία είναι χρονοβόρα και κοστοβόρα, και επιπρόσθετα λόγω του υψηλού κόστους που σχετίζεται με την εισαγωγή μιας νέας γραμμής παραγωγής που προορίζεται αποκλειστικά για την αιολική βιομηχανία.
Το κόστος είναι το κύριο μέλημα κατά τον σχεδιασμό εξαρτημάτων στην αιολική βιομηχανία, ωστόσο οι κατασκευαστές ανεμογεννητριών πρέπει επίσης να κατασκευάσουν πτερύγια που αντέχουν τα φορτία πίεσης και κόπωσης που αντιμετωπίζουν τα πτερύγια, καθώς περιστρέφονται σχεδόν ανελλιπώς για έως και 30 χρόνια.
Γιατί κατασκευάστριες εταιρείες δεν επιλέγουν τις ίνες ανθρακονημάτων;
Ωστόσο πρέπει να καταστεί σαφές πως ενώ οι ίνες ανθρακονημάτων παρουσιάζουν τεράστια χρηστικότητα σε πολλές βιομηχανίες, δυστυχώς οι κατασκευάστριες εταιρείες δεν τα υιοθετούν, και ο λόγος είναι πολύ απλός, προφανώς γιατί θα χρειαστούν καινούρια εργοστάσια και νέα μηχανήματα, κάτι που σημαίνει πως η απόσβεση αυτής της επένδυσης – σε σύντομο σχετικά χρονικό διάστημα – δεν εγγυημένη.
Συνεπώς το ρίσκο που θα πάρουν, ενδεχομένως να είναι και η καταστροφή τους, αφού πρόκειται για επενδύσεις εκατοντάδων εκατομμυρίων δολαρίων ή και δισεκατομμυρίων. Επιπλέον υπάρχει μία ακόμη συνιστώσα που λαμβάνουν σοβαρά υπόψη οι κατασκευάστριες εταιρείες και έχει να κάνει με το γεγονός πως αυτό το κόστος θα μετακυλιστεί στα προϊόντα τους, και σημαίνει πρακτικά ότι τα προϊόντα τους θα είναι ακριβότερα και κατ’ επέκταση θα μειωθεί ο όγκος των πωλήσεων τους.
