دراسة استرالية: طريقة جديدة أرخص لإنتاج ألياف كربونية لصناعة السيارات

يمكن لطريقة جديدة تحويل المنتجات الثانوية الرخيصة لتكرير البترول إلى مواد هيكلية عالية القيمة وخفيفة الوزن مصنوعة من ألياف الكربون لاستخدامها في السيارات والطائرات والمركبات الفضائية.

وأفادت مجلة "cosmosmagazine" العلمية الأسترالية، أن المواد المصنوعة من ألياف الكربون تعتبر ذات قيمة كبيرة لأنها قوية بشكل استثنائي مع الحفاظ على وزنها الخفيف.

ومع ذلك، فإن إنتاجها أغلى من الفولاذ أو الألمنيوم المستخدم في بناء المركبات والطائرات ، وقد اقتصر استخدامها على التطبيقات المتخصصة - مثل تطبيقات الفضاء حتى الآن.

وتوصل الباحثون إلى طريقة لصنع ألياف الكربون من مصدر رخيص للغاية، حيث تُستخدم مادة النفايات الثقيلة المتساقطة التي خلفتها بعد تنقية البترول ، حاليًا للتطبيقات منخفضة القيمة (مثل الأسفلت) أو يتم معالجتها ببساطة كنفايات.

وإن استخدام بقايا البترول لتصنيع ألياف الكربون سيجعل إنتاجها أرخص بكثير ، وهذا يمكن أن يفيد ليس فقط التطبيقات خارج هذا العالم مثل المركبات الفضائية ، بل يحتمل أيضًا أن يحل محل المواد الأثقل بشكل كبير في المركبات القياسية الأقرب إلى المنزل.

ونُشرت الدراسة الجديدة في Science Advances.أن ألياف الكربون الناتجة عن هذه الطريقة تتميز بمزايا أخرى بخلاف تكلفة التصنيع المنخفضة مقارنة بألياف الكربون التقليدية، والتي تُصنع عادةً من البولي أكريلونيتريل، وإحداها أنه يمكن أن يكون لها قوة ضغط - مما يعني أنه يمكن استخدامها في التطبيقات التي كانت تحمل حمولة.

وبدأ البحث كطريقة لإنتاج مواد أرخص لخفض الوزن الإجمالي للسيارات وجعلها أكثر كفاءة وتقليل استهلاك الوقود.

ولم يتم استخدام المركبات المصنوعة من ألياف الكربون إلا في عدد قليل من موديلات السيارات باهظة الثمن حتى الآن، لأن تلك المركبات ذات الجودة المطلوبة لاستخدام السيارات تكلف حاليًا ما لا يقل عن 22-27 دولارًا للكيلوغرام الواحد.

وعمل فريق الدراسة بالتعاون مع باحثين في مختبر أوك ريدج الوطني بالولايات المتحدة ، الذين جلبوا الخبرة في تصنيع ألياف الكربون في ظل مجموعة متنوعة من الظروف - من مقياس المختبر وصولاً إلى نطاق المصنع التجريبي.

وقال الدكتور نيكولا فيراليس ، عالم الأبحاث في قسم علوم وهندسة المواد في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) في الولايات المتحدة: "الملعب فوضوي بشكل لا يُصدق ، إنه خليط من الهيدروكربونات الثقيلة المختلطة ، وهذا في الواقع ما يجعله جميلًا بطريقة ما ، لأن هناك الكثير من الكيمياء التي يمكن استغلالها ".

وتحتاج المواد الصناعية عمومًا إلى خصائص متسقة للغاية. نظرًا لأن طبقة الصوت ليست مزيجًا موحدًا من الجزيئات ، فإن استخدامها للتصنيع عملية معقدة تؤدي إلى عدم تناسق في خصائص المنتجات النهائية.

واستخدم الباحثون المحاكاة الحاسوبية للديناميكيات بين الجزيئات في الملعب (الطريقة التي تتشكل بها الروابط والربط المتبادل بينها) لتطوير طريقة للتنبؤ بكيفية تأثير ظروف المعالجة المختلفة على الخصائص الناتجة للألياف.

وحددوا المعلمات الكيميائية والمعالجة الرئيسية التي تحدد وتتحكم في تكوين ألياف الكربون القائمة على الملعب.

ويوضح المؤلف الرئيسي Asmita Jana ، طالبة الدراسات العليا في MIT: "لقد تمكنا من إعادة إنتاج النتائج بهذه الدقة المذهلة". "إلى الحد الذي يمكن للشركات أن تأخذ فيه هذه الرسوم البيانية وتكون قادرة على التنبؤ بخصائص مثل الكثافة ومعامل المرونة للألياف."

وأظهرت نتائجهم أنه من خلال تعديل ظروف البدء في عملية الإنتاج ، يمكن تصنيع ألياف الكربون التي لم تكن قوية فقط في التوتر (السحب) ، ولكن أيضًا في الانضغاط.

وهذا يفتح إمكانيات جديدة تمامًا للاستخدام. يجب تصنيع مركبات الألياف التقليدية في قطعة قماش ووضعها في أنماط دقيقة ومفصلة للتعويض عن النقص المعتاد في مقاومة الضغط. وبسبب المواد الأولية الرخيصة للغاية ، يقدر الباحثون أن طريقتهم يمكن أن تنتج ألياف الكربون بتكلفة منخفضة تصل إلى حوالي 7 دولارات للكيلوغرام.

وأضاف Ferralis: "الطريق الجديد الذي نعمل على تطويره ليس مجرد تأثير من حيث التكلفة". "قد يفتح تطبيقات جديدة ، وليس بالضرورة أن تكون مركبات."