סיבי פחמן משמשים בעיקר למשקלם הקל, ומוערכים בעוצמתם וקשיחותו. אך כאשר לייף אספ מסתכל על החומר, הוא רואה הזדמנות לגרום לו לעשות חובה כפולה באופן שיכול לשפר באופן דרסטי את היעילות של מכוניות ומטוסים.
"הסוללה היא טפיל מבני", אומר המהנדס והפרופסור מאוניברסיטת צ'למרס בטכנולוגיה בשוודיה, כלומר הוא מוסיף משקל ומביא ליעילות מבלי לתרום לחוזק ולמבנה הפיזי של המכונית שהיא מפעילה. אבל מה אם הרכבים היו בנויים מסוללות?
לשם זה באמת הולך Asp עם הטכנולוגיה הזו. הוא רוצה לראות מכוניות, מטוסים, סירות, אפילו שעונים חכמים ואלקטרוניקה צרכנית אחרת העשויים מחומר שמשמש הן כגוף והן כמקור האנרגיה - דבר המכונה "סוללה מבנית". מכונית הכוללת סוללות מבניות עשויה לשקול עד 50 אחוז פחות מ- EV טיפוסי שיש בו סוללות ליתיום יון כבדות ארוזות מתחתיו, אומר אספ.
אין חדשות כי לסיבי פחמן יש תכונות אלקטרוכימיות. בדומה לגרפיט, החומר הוא בתצורות מסוימות, בעל יכולת מוליכות. חוקרים מאוניברסיטת צ'אלמרס הגישו בקשה לרישום פטנט אמריקאי על סוללה העשויה מסיבי פחמן, אולם למעשה הבאת אחד לשוק הוכיחה את עצמה כמצליחה עבור מספר האנשים המועמדים לרעיון. מחקר חדש מצוות אספ זיהה היבט מסוים של החומר ההופך את השימוש הפוטנציאלי שלו לסוללות מבניות להרבה יותר מציאותי.
לייף אספ עם חוט סיבי פחמן (יוהאן בודל, אוניברסיטת כלמרס לטכנולוגיה) עם זאת, כל הפחמן לא נוצר שווה, ולסוגים שונים של פחמן יש תכונות שונות ההופכות אותם ליישומים לשימושים שונים. מטרתו של אספ היא להבין מה מתנהג איך ומדוע, וליישם זאת על יישומים מבניים.
"סיבי הפחמן הקיימים בשוק, הם מיועדים ליישומים מבניים או מיועדים ליישומים חשמליים, " הוא אומר. יישומים מבניים הם מה שהכי מוכר לנו, החל מהפחמן שמרכיב אופניים ומוצרים חזקים וקלילים אחרים, אך לפעמים גם רכיבים חשמליים עשויים מהחומר, גם אם מסוג אחר. הוא מאמין שיש פחמן שיכול לעשות את שניהם.
במחקרים האחרונים שלהם, אספ ומשתפי הפעולה שלו השוו בין שלושה מרוכבים ובחנו אותם באמצעות מיקרוסקופיית אלקטרונים וספקטרוסקופיית לייזר. הם בנו את הסיבים לסוללות, הביטו בגודל ובאוריינטציה של גבישי אטומי הפחמן שנקשרים זה בזה, והשוו בין קשיחות, חוזק ותכונות אלקטרוכימיות של החומרים השונים. גבישים קטנים יותר, בעלי מבנה מבויש יותר, נוטים להיות מגיבים יותר אלקטרוכימית - כלומר הם מסוגלים יותר לתפוס, לאחסן ולשחרר אלקטרונים, וכך לפעול כסוללות. עם זאת, סוגים אלה של פחמן פחות נוקשים מאלו עם גבישים ארוכים יותר ומסודרים. (כך או כך, הם קטנים מאוד; אספ השווה סיבים עם גבישים מ- 18 עד 28 אנגסטרם לקריסטלים מ 100 עד 300 אנגסטרם, ואנגסטרום הוא עשרה מיליארד מ 'מטר).
חזון החוקרים הוא של כלי רכב שבהם חלק גדול מגוף המכונית או גוף המטוס מורכב מסוללות ליתיום יון מבניות. (ין סטרנדקוויסט, אוניברסיטת כלמר לטכנולוגיה) השימוש בסיבי פחמן שמקריב מעט נוקשות כדי להשיג מוליכות טובה יותר עשוי לא להיות בעיה, מכיוון שהחומר היה עדיין נוקשה יותר מפלדה, ומסוגל לשאת עומס מבני. זה גם לא יחייב טעינה בצורה יעילה כמו סוללות מסורתיות, אך אם רוב המכונית מורכבת מהחומר, היא לא תצטרך לעשות זאת מכיוון שהיעילות הכוללת עדיין תוגבר מאוד. שותפים בתעשייה כמו איירבוס, העובדת עם אספ מאז 2015, מתייחסים לזה כ"אחסון אנרגיה נטול המונים ".
עם זאת, מדובר בטכנולוגיה שנמצאת דרך ארוכה מלהיות מעשית - עלולה להיות עשורים, אומר אדריאן מוריץ, דיקן המנהל של בית הספר להנדסה באוניברסיטת RMIT במלבורן. מוריץ עובד גם על אחסון אנרגיה מבני באמצעות סיבי פחמן, אך עבודתו מטמיעה סוללות ליתיום-יון בתוך כריכים של פחמן, ומסייעת לשאת חלק מהעומס המבני ולהפחית את משקלן המת של הסוללות, אם כי לא בהרחבה כמו הגרסה של אספ.
"הגישה שאנו נוקטים, החומר המרוכב כבר מוכח, הסוללה עצמה כבר מוכחת. כל מה שאנחנו מנסים להוכיח הוא שילוב הסוללה במרכיב, שהוא צעד קטן בהרבה לנקוט ", אומר מוריץ. "זה של לייף הוא ... מורכב יותר מבחינה טכנית, אבל היתרונות שלו לטווח הארוך הולכים להיות חזקים יותר. זה עדיין רק דורש הרבה יותר מחקר ופיתוח כדי לייעל את החומרים והעיצוב של המערכת בפועל. "
אספ והמעבדה שלו עובדים כדי להפוך אותו למימוש. מחקר מוקדם (2014 וקודם) סיבי פחמן שהשתנו, מציגים נדן של אלקטרוליטים פולימריים למינציה המסייע לסיבים לאגור ולשחרר יונים ביעילות רבה יותר, באותה דרך שבה סוללת ליתיום-יון משתמשת באלקטרוליט מתערב.
"כמובן שזה יהיה זמן רב לטוס, " אומר אספ. הוא עובד עם חברת איירבוס כדי לייצר הדגמה לשחרור בשנה הבאה, שמחליף פנסים וכבלים פנים בסיבי פחמן מבניים. אף שהחסכון הגדול יותר במשקל יכול להיות בביטול הצורך בדלק, שלדברי מוריץ מהווה שליש או יותר מתקציב התפעול של חברת תעופה, הדגמת איירבוס תהיה דוגמה לכך שהטכנולוגיה היא בת קיימא.
מוריץ רואה את הטכנולוגיה מיושמת לראשונה על מכוניות יוקרה ועל אופנועי פורמולה 1, ואימוץ נרחב בשוק הצרכנים ברגע שהמחיר יורד והאמינות אושרה. "אם אתה יכול לטוס קלות את המטוס שלך, אם אתה יכול לשקל את הרכב שלך קל, החיסכון בפועל בעלויות נטו זה הוא במאות מיליונים אם לא במיליארדי דולרים, " הוא אומר.
"כמובן, הדבר האחר", מוסיף מורטיז, "אם אני מפחית את צריבת הדלק שלי, אני בעצם מקטין את פליטת גזי החממה שלי."
