3784500796

Biuletyn AGH ni 89

Temat wydania

Wiele innych możliwych zastosowań jest obecnie testowanych w laboratoriach lub znajduje się w fazie projektów. Analizy teoretyczne wykazały, że 30 proc. zmniejszenie tarcia tocznego, oporów powietrza i masy układu napędowego spowoduje zmniejszenie zużycia paliwa o prawie 30 proc., w związku z tym odpowiednio zmniejszy się też ilość emitowanych spalin oraz py-tów. Według autorów głównym źródłem oszczędności nie jest zmniejszenie masy pojazdu, lecz zmniejszenie tarcia w układzie napędowym i oporów powietrza. Powyższa analiza nie uwzględnia dalszego wzrostu energooszczędności związanego z wprowadzeniem alternatywnych źródeł energii (ogniwa paliwowe i fotowoltaiczne). Szczególnie duże nadzieje wiąże się z wprowadzeniem ogniw paliwowych z membranami polimerowymi. Przewiduje się, że takie ogniwa zastosowane jako źródło energii w pojazdach mechanicznych ograniczą emisję szkodliwych zanieczyszczeń (głównie pyłów i tlenków azotu) o około 70 proc. Kolejnym istotnym przełomem będzie opracowanie nowych nanostrukturainych materiałów metalicznych (np. stopów kwazikrystalicz-nych lub kompozytów zbrojonych nanorur-kami węglowymi) do gromadzenia i generowania wodoru, uważanego powszechnie za paliwo przyszłości.

Poprawę ekonomiki eksploatacji pojazdów mechanicznych przyniesie też zmniejszenie tarcia i zwiększenie wytrzymałości elementów zespołu napędowego. Niezbędne staną się trwałe i twarde pokrycia charakteryzujące się niskim współczynnikiem tarcia, a szczególne znaczenie będą miały nanokompozyty, których osnowę stanowić będą aluminium, nikiel i żelazo, zbrojonych nanodyspersyjnymi materiałami o dużej twardości (SiC, Si0₂, TiO_z, BN, diament) oraz chemicznie i termicznie odpornymi polimerami, takimi jak teflon. Poza zmniejszeniem tarcia nowe nanoma-terialy powinny charakteryzować się znacznie mniejszą gęstością, a zmniejszenie masy pojazdu przyniesie duże oszczędności energetyczne. Kompozyty zawierające nanorurki i fuiereny są szczególnie obiecującymi materiałami. Obliczenia wykazały, że wytrzymałość mechaniczna materiałów zbudowanych z nanorurek węglowych będzie 50-krotnie większa od stali przy pięciokrotnie mniejszej gęstości. Obecnie jednak produkcja nanorurek o ściśle zdefiniowanych parametrach na większą skalę jest kosztowna.

Wiele elementów konstrukcyjnych pojazdów wykonuje się z materiałów kompozytowych. Podwozia i nadwozia coraz częściej zawierają elementy z kompozytów o osnowie polimerowej zbrojone włóknem szklanym, włóknami węglowymi lub nawet włóknami roślinnymi. Niesie to za sobą zarówno oszczędności materiałowe jak i poprawę energooszczędności pojazdów. Zastosowanie materiałów pochodzenia biologicznego (np. odpadowych włókien roślinnych jako zbrojenia kompozytów) poprawia aspekt środowiskowy procesu wytwórczego.

Zastąpienie kompozytów nanokompo-zytami (kompozytami, w których cząstki zbrojenia mają rozmiary do 100 nm) może przynieść dalszą poprawę właściwości me-chaniczmych i zmniejszenie masy wyrobów. Obecnie produkuje się różne wyroby z nanokompozytów polimerowych (nylon, poliolefiny. poliwęglany, biodegradowalne polimleczany) zbrojone nanorurkami węglowymi, nanowtóknami ceramicznymi oraz nanokrystalicznymi krzemianami i glinokrze-mianami (ang. nanodays). Firmą wiodącą we wprowadzaniu materiałów nanokompo-zytowych do produkcji samochodów jest General Motors. Do tej pory materiały te są stosowane do produkcji takich elementów jak, zderzaki, klamki i elementy tapi-cerki. Wprowadzenie nanokompozytów pozwoliło na ograniczenie zużycia polimerów o 40 proc., przyspieszenie procesu produkcji i zmniejszenie zużycia energii, co przyniosło łącznie zmniejszenie kosztów produkcji o 60-80 proc. Nanokompozyty te są ponadto niepalne, co w znaczący sposób zwiększa bezpieczeństwo użytkowania pojazdów, a ograniczenie zawartości polimerów zmniejsza ilość toksycznych odpadów powstających w czasie produkcji oraz ułatwia utylizację zużytych wyrobów.

Kolejnym znaczącym krokiem rewolucji nanotechnologicznej w motoiyzacji (ale nie tylko tam) będzie wdrożenie do masowej produkcji tanich i wydajnych ogniw fotowol-taicznych. Obecnie projektuje się materiały, które mogą jednocześnie pełnić rolę lakieru pokrywającego karoserię i ogniwa słonecznego. Obecnie znanych jest wiele tego typu materiałów, głównie zawierających modyfikowany nanokrystaliczny dwutlenek tytanu i odpowiednie barwniki. Opracowano

nanocząsteczki germanu działające jak wydajne fotoogniwa nadające się do nanoszenia na powierzchnię karoserii.

W tym miejscu warto też wspomnieć o innych źródłach czystej energii dla pojaz-

Obecnie istnieją prototypy silników zasilanych gazowym wodorem, ale prawdziwy przełom nastąpi w momencie wprowadzenia do produkcji silników elektrycznych zasilanych z wodorowych ogniw paliwowych. O ile konstrukcja wysokosprawnych silników elektrycznych nie nastręcza większych trudności, to poważnym problemem

ilości wodoru (butle nie są zbyt bezpieczne, a ze względu na duży ciężar powodują wzrost masy pojazdu) oraz produkcja trwałych i wydajnych ogniw paliwowych. Przypuszcza się, że do magazynowania wodoru będzie można wykorzystać stopy metali tworzących nietrwale wodorki, ulegające dysocjacji w niezbyt wysokich temperaturach. Zdolność takich materiałów do gromadzenia wodoru jest bardzo wysoka i znacznie przewyższa nie tylko zbiorniki ci-

doru w postaci skroplonej. Niektóre stopy kwazikrystaliczne mają cechy umożliwiające ich zastosowanie jako materiałów do gromadzenia wodoru. Potrzebne też będą tanie, trwale i wydajne elektrolity, katalizatory i materiały na elektrody ogniw paliwowych i tutaj rola nanotechnologii jest ogrom-