Grafen - Hvordan todimensionalt kulstof kan forbedre biler

Lamborghini Sesto Elemento Lamborghinis Sesto Elemento bruger kulfiber til at reducere vægten til lidt over 2.000 pund, men grafen kan tilbyde endnu større vægtbesparende fordele. Kulstof er livsgrundlaget, som vi kender det. Det har været der lige fra starten, kurvet og kogt i kerne af gigantiske stjerner, inden det voldsomt eksploderede og skabte byggestenene i verdenen omkring os.

Dette element, et af de mindste og letteste i det periodiske system, har potentialet til at revolutionere bilindustrien. Det kan gøre dette i form af grafen, et næsten to-dimensionelt lag af kulstof, der kan bruges i alt fra fremstilling af batterier og solpaneler til bioteknologi og filtrering.

Det vidunderlige materiale

Grafen er det stærkeste materiale, der nogensinde er målt. I det mindste er det, hvad Columbia University anså for i 2008.

Mekanikprofessor James Hone sagde: "Det ville tage en elefant, afbalanceret på en blyant, at bryde igennem et ark grafen i tykkelsen af ​​Saran Wrap."

Men tingene er ikke bare robuste; det er også en fantastisk termisk leder ved stuetemperatur, og det er en af ​​de mest effektive elektriske ledere, man kender.

Graphene airgel er også det letteste materiale i verden, syv gange lettere end luft. En kvadratmeter af det, et enkelt atom tykt og bundet i et sekskantet gitter, vejer kun 0,77 milligram.

Grafen

Graphene er et udvalg af førstepladser. Det kan bruges til at oprette berøringsskærme, vandfiltreringssystemer, computernanorør og vævsregenereringssystemer. Det kan endda isolere brintpartikler i atmosfæren.

Og vi er ikke engang kommet til bilapplikationer endnu.

Fremtiden

Forestil dig at konstruere en bil af et materiale, der er mere end 100 gange stærkere end stål, der er masser lettere og kan lede elektricitet 30 gange hurtigere end silicium. Forestil dig derefter, at stoffet også kan fungere som et kæmpe solpanel. Får du billedet? Ja, grafen kunne være en spilskifter.

Tilbage i 2011 lavede University of Technology Sydney et betydeligt gennembrud ved at syntetisere noget kaldet grafenpapir (GP), et ultra tyndt lag grafit, der har fem til seks gange lavere tæthed end stål, men er to gange hårdere med 10 gange trækstyrken styrke og 13 gange højere bøjningsstivhed.

Med grafen eller et grafenbaseret materiale er alt, hvad du behøver for at slå en Ferrari ud af linjen, en stiv brise.

Denne fleksible holdbarhed kunne være uvurderlig for bilproducenter, der kunne bruge den som belægning til uigennemtrængelige førermoduler, rustning til militære køretøjer og endda kraftige affjedringskomponenter til off-roadere.

Tænk på den påvirkning, kulfiber har haft. Lamborghini Sesto Elemento bruger polymervævet i kroppen, affjedring, drivaksel og chassis, hvilket reducerer vægten til en svag 2,202 pund. Med grafen eller et grafenbaseret materiale er alt, hvad du behøver for at slå en Ferrari ud af linjen, en stiv brise, ikke den store V10.

Ikke en forestillingsfan? Se til Münchens Visio.M EV, en 992 pund hatchback, der kun har brug for 20 hestekræfter for at rejse 100 miles. Og hvad er Visio.M lavet af? Kulfiberforstærket plast (CRFP) og aluminium, materialer der ligner bly sammenlignet med dette 'vidunderlige materiale.'

Hurtigt frem i fremtiden, og vi kunne muligvis lave hele biler ud af disse ting, helt ned til de fleksible, siliciumfri solpaneler, der måler en rekordeffektivitet på 15,6 procent.

Mere opnåelig er dog brugen af ​​grafen til udvikling af superstærke kompositmaterialer og kompakte, potente lithium-svovlbatterier.

MAPL-Xi-katode Foto via AIP Publishing

Ifølge American Institute of Physics er lithium-svovlbatterier meget tættere end lithium-ion-muligheder og har mulighed for at gemme fire gange så meget energi som deres kolleger. Desuden er svovl utrolig billigt.

Den uheldige side er, at disse batterier, selvom de er effektive, har en kort levetid på grund af, hvordan svovlet opløses i de flydende elektrolytter.

Det er her, grafen kommer ind. Med det ledende stof, der fungerer som en fysisk barriere inde i batteriet, er overførsel af energi stadig tilladt uden den aktive svovlnedbrydning, der opstår ved tæt kontakt.

Grafen kan dog også bruges til at forbedre lithium-ion-batterier.

Med disse kulstofskærme sidder du tilbage med en energilagringsenhed, der er lettere, mindre, billigere, mere tæt og har en højere tolerance for overopladning end lithium-ion.

Grafen kan dog også bruges til at forbedre lithium-ion-batterier, og du vil aldrig gætte, hvilken bilproducent der laver de største bølger inden for dette felt.

Tesla udvikler angiveligt teknologi, der vil øge rækkevidden af ​​sine køretøjer fra omkring 300 miles til næsten 500 miles ved hjælp af grafenbaserede batterielektroder. Husk, mediet fører elektricitet, som få stoffer kan, hvilket betyder højere kapacitet og hurtigere opladning helt.

Der er dog nogle problemer.

Ulemper

Som dette er skrevet, er der ingen kommercielle midler til masseproduktion til grafen. Og fordi det er så nyt (det blev opdaget i 2003 og først produceret i 2004), er de teknologier, der bruges til at behandle det, stadig i deres barndom. De er således dyre.

Mere specifikt er det svært at skabe supermaterialet i ægte todimensional form i stor skala. 2D-krystallitter har tendens til at bøje sig ind i den tredje dimension, når materialet dyrkes via kemiske syntetiseringer, så for at skabe ægte 2D-materiale er forskere tvunget til at bruge andre metoder.

Lamborghini Sesto Elemento Lamborghini Sesto Elemento

I øjeblikket er den mest almindelige teknik til at syntetisere grafen af ​​høj kvalitet kendt som peeling eller spaltning, der skræller monolag af 3D-grafit væk med klæbebånd for at komme til et enkelt atomark. Som du sandsynligvis kan gætte, er denne metode ekstraordinær ineffektiv for den mængde materiale, der nettes.

Men i en bilverden, der konstant søger at forbedre effektivitet og ydeevne, er du undertiden nødt til at tænke lille.

Konklusion

De fleste eksperter er enige om, at batteriteknologi er det, der holder EV'er tilbage. Med den nuværende teknologi er der bekymring for omkostninger, vægt, størrelse og - mest af alt - rækkevidde.

Graphene er et potentielt middel til næsten alle disse problemer, men det stopper ikke der.

Dette 'vidunderlige materiale' kunne erstatte udvalgte kulfiber-, stål- og aluminiumskomponenter, der findes i vores biler i dag, hvilket lettede vores belastninger generelt i jagten på ydeevne og effektivitet. Det er en sportsvognformel, der kan hjælpe på og uden for banen.

Se på Ford F-150 fra 2015, som sparede 700 pund ved at skifte fra et stål til en aluminiumskasse. Forestil dig, hvilken udvikling grafen kunne bringe i de næste 20 år. Fjervægt daglige chauffører, der næsten ikke har behov for at bevæge sig, og som er utroligt sikre? Tilmeld os.

For så vidt som 2014 går, er det globale marked for materialet dog beskedne 20 millioner dollars. Men igen begynder vi i det små.

Vil kulstof, byggestenen for alt liv på jorden, være det næste trin i biludviklingen?

Vent og se.

Seneste indlæg

$config[zx-auto] not found$config[zx-overlay] not found