Ирина Гайда. Смогут ли учёные избавить углеродное волокно от углеродного следа… Международные исследования.

Ирина Гайда. Смогут ли учёные избавить углеродное волокно от углеродного следа… Международные исследования.

Ирина Гайда. Смогут ли учёные избавить углеродное волокно от углеродного следа… Международные исследования.

Журнал deezen, посвящённый архитектуре и дизайну, пишет о перспективных исследованиях, цель которых — получить углеродные волокна (тонкие нити из практически чистых кристаллов углерода в пять раз прочнее и в два раза жёстче стали) из биоматериалов вместо ископаемого топлива.
Углеродные волокна на биологической основе могут быть использованы для строительства более лёгких по весу электромобилей, самолётов, ветрогенераторов и зданий. Тем не менее, по своим характеристикам биоволокна сильно уступают полученным из нефти, и пока не могут полностью их заменить. Кроме того, они дороги в производстве и неустойчивы.
Учёные работают над углеродными волокнами, изготовленными из биоматериалов вместо ископаемого топлива, в попытке создать версию, которая не генерирует выбросы углерода. Из углеродных волокон на биологической основе можно создать более лёгкие по весу электромобили, позволяющие использовать более широкий спектр аккумуляторов, отмечает руководитель группы разработчиков углеродного волокна и новых материалов д-р Эрик Франк (Erik Frank), старший научный сотрудник Немецкого института исследований текстиля и волокна в Денкендорфе (на юге Германии). В строительстве бетон может быть усилен углеродными волокнами вместо стали, что позволяет строить ультратонкие конструкции.
«Это чудо-материал, потому что он очень прочный и в то же время лёгкий по сравнению с металлом», — говорит Франк. В то же время, по словам учёного, «углеродный след углеродных волокон обычно очень плох». «Сырьё [для обычного углеродного волокна] берётся из нефти, но мы пытаемся отойти от этого, — пояснил он. — Углеродные волокна на биологической основе пользуются гораздо большим спросом, чем раньше. Нас осыпают просьбами».
Углеродные волокна представляют собой невероятно тонкие нити из почти чистых кристаллов углерода размеров всего от 5 до 10 микрометров, но при этом они в пять раз прочнее стали и в два раза жёстче. Первоначально их изготавливали из растительных материалов, включая целлюлозу и вискозу, пока более низкая цена и более высокая производительность версий ископаемого происхождения не сделали углеродное волокно на биологической основе неконкурентоспособным.
Для производства волокон нефть сначала перерабатывается в высокотоксичный полиакрилонитрил (PAN). Его вытягивают в тонкие нити, а затем нагревают в духовке без кислорода. Но производственный процесс требует огромного количества энергии и генерирует большое количество выбросов и токсинов, так как в нём сжигается всё, кроме атомов углерода. «Если мы хотим, чтобы углеродные волокна были углеродно-нейтральными, всё это должно быть изменено, — считает Франк. — Пару лет назад эта тема даже не возникала, людей волновали только расходы. Сейчас же экологическая устойчивость гораздо важнее, а нефть уже не такая дешёвая, поэтому это другая история». Ещё одним недостатком материала является то, что его трудно перерабатывать и утилизировать, хотя в настоящее время разрабатываются способы его повторного использования. Пока же мировой объём производства углеродного волокна невелик — всего 150 000 тонн в год.
Франк изучает способы превращения лигнина, вещества, обнаруженного в большинстве растений и являющегося побочным продуктом бумажной промышленности, в углеродные волокна. «Мы работаем с лигнином в качестве сырья, — пояснил он. — Это побочный продукт отходов, который накапливается в огромных количествах в бумажной промышленности. Обычно его добавляют в бетон или асфальт или сжигают. Мы используем лигнин для производства углеродного волокна. Для этого мы применяем химические методы, чтобы очистить его и привести в нужную форму. Мы пытаемся получить волокно непосредственно в воде, не используя токсичные растворители».
В то же время, углеродное волокно на биологической основе обладает всего лишь средними или даже низкими характеристиками по сравнению с волокнами на основе PAN, говорит учёный. «Углеродные волокна на биологической основе не заменят волокна на основе PAN. Они просто будут существовать параллельно, — объясняет Франк. — В самолётах углеродное волокно уже используют, а вот в электромобилях оно могло бы изменить ситуацию, помогая экономить на их весе. Автомобилестроители хотели бы перейти на него, но это пока слишком дорого и недостаточно устойчиво».
В 2020 году начались работы над первым зданием из бетона, армированным углеродным волокном. CUBE, двухэтажное здание, спроектированное архитектурным бюро Henn Architekten в Техническом университете Дрездена в Германии, должно быть завершено в конце этого года. «В небольших масштабах бетон уже армируется углеродным волокном, но он ещё не находится на стадии массового внедрения, — объясняет Франк. — Преимущество заключается в том, что таким образом можно сделать бетон намного тоньше, и он сможет нести большую нагрузку, что позволяет проектировать совершенно разные формы. Цель состоит в том, чтобы уйти от огромного количества бетона, используемого сегодня».

Перейти к обсуждению

Добавить комментарий