Sonsuz Ark/ Evrensel Çerçeveye Yolculuk
"Karbon fiber üretiminde bulunan yeni bir yöntem, rafineri yan ürünlerini otomobiller, uçaklar ve uzay araçları için yüksek değerli, ultra hafif yapısal malzemelere dönüştürebilir."
A New Way To Make Carbon Fiber: Could We Make Cars Out of Petroleum Residue?
Dünya, sera gazı emisyonlarını azaltmak ve elektrikli araçların menzilini geliştirmek amacıyla otomobillerin ve diğer araçların verimliliğini artırmak için mücadele ederken, otomobillerin gövdelerinde kullanılabilecek kadar güçlü, daha hafif malzemeler arayışı sürüyor.
Karbon Elyaf İllüstrasyon
Bazı tenis raketleri ve bisikletler için kullanılan malzemeye benzer karbon fiberden yapılan hafif malzemeler, olağanüstü sağlamlığı düşük ağırlıkla birleştiriyor, ancak bunların üretilmesi çelik veya alüminyumdan yapılmış benzer yapısal elemanlardan daha pahalıdır. Şimdi, MIT'deki ve başka yerlerdeki araştırmacılar, bu hafif lifleri ultra ucuz bir hammaddeden yapmanın bir yolunu buldular: petrolün rafine edilmesinden arta kalan ağır, köpüren atık malzeme, bugün rafinerilerin düşük değerli uygulamalar için tedarik ettiği malzeme, asfalt veya sonunda atık olarak işleme tabi tutuluyor.
Yeni karbon fiberin üretimi ucuz olmakla kalmıyor, aynı zamanda geleneksel karbon fiber malzemelere göre avantajlar sunuyor, çünkü sıkıştırma mukavemetine sahip olabiliyor, yani yük taşıma uygulamaları için kullanılabiliyor. Yeni süreç 18 Mart 2022'de Science Advances dergisinde yüksek lisans öğrencisi Asmita Jana, araştırmacı bilim adamı Nicola Ferralis, profesör Jeffrey Grossman ve MIT, Wyoming'deki Western Araştırma Enstitüsü ve Tennessee'deki Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı'ndaki diğer beş kişinin yazdığı bir makalede anlatılıyor.
Karbon Elyaf Çemberi
Yaklaşık 10 mikrometre çapında bir karbon fiber çemberi. Kaynak: Nicola Ferralis
Araştırma, yaklaşık dört yıl önce, otomobilleri daha verimli hale getirmenin ve toplam ağırlıklarını azaltarak yakıt tüketimini azaltmanın yollarını arayan Enerji Bakanlığı'ndan (DOE) gelen bir talebe yanıt olarak başladı. Ferralis, "Aynı model arabaya şimdi bakarsanız, 30 yıl öncesine kıyasla çok daha ağır," diyor. "Aynı kategorideki arabaların ağırlığı yüzde 15'ten fazla arttı."
Daha ağır bir araba daha büyük bir motor, daha güçlü frenler vb. gerektirir, bu nedenle gövdenin veya diğer bileşenlerin ağırlığının azaltılması, ek ağırlık tasarrufu sağlayan bir dalgalanma etkisine sahiptir. DOE, günümüzün geleneksel çelik panellerinin güvenliğine uyan ancak aynı zamanda standart araçlarda çeliğin potansiyel olarak tamamen yerini alacak kadar ucuza yapılabilen hafif yapı malzemelerinin geliştirilmesi için baskı yapıyor.
Karbon fiberlerden yapılan kompozitler yeni bir fikir değil, ancak şimdiye kadar otomotiv dünyasında sadece birkaç çok pahalı modelde kullanıldılar. Yeni araştırma, düşük maliyetli bir başlangıç malzemesi ve nispeten basit işleme yöntemleri sağlayarak bunu tersine çevirmeyi amaçlıyor.
İnsan Saçı ve Karbon Elyaf
Ferralis, otomotiv kullanımı için gereken kalitede karbon fiberlerin şu anda pound başına en az 10 ila 12 $ arasında bir maliyete sahip olduğunu ve uzay aracı bileşenleri gibi özel uygulamalar için pound başına yüzlerce dolara kadar "çok daha fazla" olabileceğini söylüyor. Bu, çelik için yaklaşık 75 sent veya alüminyum için 2 dolar ile karşılaştırılıyor, ancak bu fiyatlar geniş çapta dalgalanmakta ve malzemeler genellikle yabancı kaynaklara dayanıyor. Bu fiyatlarda çelik yerine karbon fiberden bir kamyonet yapmanın maliyetini kabaca iki katına çıkaracağını söylüyor.
Bu lifler tipik olarak petrolden türetilen polimerlerden (poliakrilonitril gibi) yapılıyor, ancak karbon bileşiklerini polimerleştirmenin maliyetli bir ara adımını kullanıyor. Ferralis, polimerin maliyetinin nihai elyafın toplam maliyetinin yüzde 60'ından fazlasını oluşturabileceğini söylüyor. Ekibin yeni yaklaşımı, başlangıçta rafine edilmiş ve işlenmiş bir petrol ürünü kullanmak yerine, esasen rafine işleminden sonra kalan tortuları, petrol zifti olarak bilinen malzemeyi kullanıyor. Ferralis, “Bu, bazen namlunun dibi dediğimiz şeydir” diyor.
“Pitch inanılmaz derecede dağınık” diyor. Bu, karışık ağır hidrokarbonların bir karışımı ve “aslında onu bir bakıma güzel yapan da bu, çünkü kullanılabilecek çok fazla kimya var. Bu, onu başlamak için büyüleyici bir malzeme haline getiriyor.”
Yanma için işe yaramaz; yanabilmesine rağmen, pratik olamayacak kadar kirli bir yakıttır ve bu özellikle sıkı çevre düzenlemelerine tabidir. "Çok fazla var" diyor, "bu ürünlerin doğal değeri çok düşük, bu yüzden genellikle çöp niteliğinde." Ekibin de test ettiği alternatif zift kaynağı, örneğin çelik üretimi için kullanılan, koklaşabilir taş kömürünün bir yan ürünü olan benzer bir malzeme olan kömür ziftidir. Bu süreç, yaklaşık yüzde 80 kok ve yüzde 20 kömür zifti üretiyor, “temelde bir atık” diyor.
Laboratuvar ölçeğinden pilot tesis ölçeğine kadar çeşitli koşullar altında karbon fiber üretiminde uzmanlığa sahip olan Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı'ndaki araştırmacılarla işbirliği içinde çalışan ekip, sırayla performansı tahmin etmenin yollarını bulmaya bu fabrikasyon deneyleri ve koşulların seçimine rehberlik etmek için yola çıktı.
Ferralis, "Aslında [ziftten] bir karbon fiber yapmak için ihtiyaç duyduğunuz süreç, hem enerji gereksinimleri hem de yapmanız gereken gerçek işlem açısından son derece minimaldir," diyor.
Jana, ziftin "şekli veya boyutu değiştirirseniz özelliklerin çarpıcı biçimde değişmesini bekleyeceğiniz bu heterojen moleküller grubundan oluştuğunu" açıklıyor, oysa endüstriyel bir malzemenin çok tutarlı özelliklere sahip olması gerekiyor.
Jana, kurucu moleküller arasındaki bağların oluşma ve çapraz bağlanma biçimlerini dikkatli bir şekilde modelleyerek, belirli bir işleme koşulları dizisinin elde edilen lif özelliklerini nasıl etkileyeceğini tahmin etmenin bir yolunu geliştirebildi. “Sonuçları böyle şaşırtıcı bir doğrulukla yeniden üretebildik ” diyor ve “şirketlerin bu grafikleri alabileceği ve liflerin yoğunluğu ve elastik modülü gibi özelliklerini tahmin edebileceği” noktaya kadar götürebileceğini söylüyor.
Çalışma, başlangıç koşullarının ayarlanmasıyla, bu tür fiberlerin çoğu gibi sadece gerilimde güçlü değil, aynı zamanda sıkıştırmada da güçlü olan karbon fiberlerin yapılabileceğini gösteren sonuçlar verdi, bu da potansiyel olarak yük taşıma uygulamalarında kullanılabilecekleri anlamına geliyor. Bu, bu malzemelerin kullanışlılığı için tamamen yeni olanaklar açıyor, diyorlar.
DOE'nin çağrısı, hafif malzemelerin maliyetini pound başına 5 doların altına indirecek projeler içindi, ancak MIT ekibi, yöntemlerinin bundan daha iyisini yapabileceğini ve henüz ayrıntılı bir ekonomik analiz çalışması yapmamış olsalar da, pound başına 3 dolar gibi bir şeye ulaşabileceğini tahmin ediyor.
Ferralis, "Geliştirdiğimiz yeni rota sadece bir maliyet etkisi değil," diyor. "Yeni uygulamalar başlatabilir ve bunlar araç olmak zorunda değil." Konvansiyonel elyaf kompozitlerini yapmayı karmaşıklaştıran etkenlerin bir kısmı, elyafların bir kumaş haline getirilmesi ve kesin, ayrıntılı desenlerde düzenlenmesi gerekliliğinden ortaya çıkıyor. Bunun nedeni, “basınç dayanımı eksikliğini telafi etmek” diyor. "Malzemedeki eksikliklerin üstesinden gelmek bir mühendislik meselesidir, ancak yeni süreçle birlikte tüm bu ekstra karmaşıklığa gerek kalmayacak."
David L. Chandler, Massachusetts Teknoloji Enstitüsü, (MIT) 1 Nisan 2022, SciTechDaily
Mustafa Tamer, 25.05.2022, Sonsuz Ark, Çeviri, Bilim ve Teknoloji, Aklın Merdivenleri
Referans: Asmita Jana, Taishan Zhu, Yanming Wang, Jeramie J. Adams, Logan T. Kearney, Amit K. Naskar, Jeffrey C. Grossman tarafından "Atoms to fiber: zift bazlı karbon fiberlerin sentezinde yeni işleme yöntemlerinin belirlenmesi" ve Nicola Ferralis, 18 Mart 2022, Bilimsel Gelişmeler. DOI: 10.1126/sciadv.abn1905
Araştırma ekibinde MIT'den Taishan Zhu ve Yanming Wang, Western Reserve Üniversitesi'nden Jeramie Adams ve Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı'ndan Logan Kearney ve Amit Naskar yer aldı. Çalışma ABD Enerji Bakanlığı tarafından desteklendi.
- Sonsuz Ark'ta yayınlanan yazılardan yazarları sorumludur.
- Sonsuz Ark linki verilerek kısmen alıntı yapılabilir.
- Sonsuz Ark yayınları Sonsuz Ark manifestosuna aykırı yayın yapan sitelerde yayınlanamaz.
- Sonsuz Ark Yayınlarının Kullanımına İlişkin Önemli Duyuru için lütfen tıklayınız.