Нанотехнологии будут играть важную роль в автомобильной промышленности, но не думайте увидеть что-нибудь похожее на футуристический концепт-кар Volkswagen Nanospyder, в ближайшее время. Этот вход в проект Los Angeles Design 2006 года был поддержан водородными топливными элементами, солнечной энергией, электродвигателями и надувными панелями из органического тела, которые сформировали необычную форму двухместного автомобиля.
По словам его создателей - дизайнеров, базирующихся в Volkswagen Design Center в Санта-Монике, - наноспайдер будет образован из решетки, состоящей из миллиардов крошечных программируемых нано-устройств диаметром менее половины миллиметра. Каждое из этих крошечных устройств может быть запрограммировано так, чтобы оно было настолько сильным или слабым, насколько это необходимо, то есть можно создавать активные зоны смятия.
Нано-решетки представляют собой панели, образованные из смеси органических материалов, некоторые из которых могут надуться, чтобы обеспечить дополнительную амортизацию в результате удара.
Наноматериалы используются как источник энергии, так как полисинтез генерирует небольшое количество электричества. Это в сочетании с водородным топливом генерирует энергию для привода крошечных электрических двигателей, установленных в ступицах всех четырех колес.
Вернемся к сегодняшнему дню. Автомобильный сектор является основным потребителем новых технологий и нанотехнологии обещают значительно улучшить производительность существующих технологий. Области применения варьируются от уже существующих - качество краски, топливные элементы, аккумуляторы, износостойкие шины, более легкие, но прочные материалы, ультратонкие антибликовые слои для окон и зеркал - до футуристического энергоёмкого кузова , полностью самовосстанавливающейся краски , меняющиеся цвета и т.д.
Нанотехнологии для автомобилей
Основными тенденциями, применения нанотехнологий в автомобилестроении являются:
- более легкие, но прочные материалы (для лучшего расхода топлива и повышения безопасности)
- повышение эффективности двигателя и расхода топлива для автомобилей с бензиновым двигателем (катализаторы; присадки к топливу; смазочные материалы)
- снижение воздействия на окружающую среду автомобилей, работающих на водороде и топливных элементах
- улучшенные и миниатюрные электронные системы
- лучшая экономия (более длительный срок службы; меньшая частота отказов компонентов; интеллектуальные материалы для самостоятельного ремонта)
Куда нас приведут нанотехнологии в автомобильной отрасли? Следующие примеры представляют собой лишь обзор большого количества усилий и приложений, связанных с нанотехнологиями в автомобильной промышленности:
Нанотехнологии для шасси и экстерьера
Снижение веса автомобиля является ключевой частью стратегий производителей автомобилей по улучшению экономии топлива. Например, команда Ford «Атомы в двигатели» изучила структуру литых алюминиевых сплавов на атомном уровне. В результате этой работы подробный анализ взаимосвязи структуры (свойств) процессов блоков двигателя из алюминиевого сплава привел к снижению массы двигателя и, в свою очередь, к повышению эффективности использования топлива.
Другая область - замена окон из минерального стекла полимерами. Однако до недавнего времени некоторые ключевые технические характеристики не были достигнуты - устойчивость к царапинам и долговременная устойчивость к ультрафиолету долгое время оставались проблемами. Последние достижения в области нанотехнологий помогают разработчикам поликарбонатных окон преодолеть эти трудности.
Наноинженерные термопластичные материалы позволяют снизить вес до 40% по сравнению с традиционными стальными деталями шасси.
Что касается красок и поверхностных покрытий, наноструктурные поверхности приводят к улучшению адгезии краски и стойкости цвета. Самоочистка станет стандартом для ветровых стекол и кузовов автомобилей. Устойчивые к царапинам, грязеотталкивающие, устойчивые к ультрафиолетовому излучению и самовосстанавливающиеся автомобильные краски - это продукты, которые уже существуют или находятся в разработке.
Нанотехнологии в шинах
Шины являются одним из ранних применений наноструктурированных материалов в автомобилях. Технический углерод был первым наноматериалом, используемым автомобильной промышленностью в шинах в качестве пигмента и усиливающего агента.
Ключом к характеристикам шины является смесь резины, но ее требования к оптимизации могут быть противоречивыми (очень сложные химические и физические взаимодействия между резиной и наполнителем), в то время как шина нуждается в хорошем сцеплении, ее сопротивление качению также должно быть низким.
Около 30% покрытия шины состоит из армирующего наполнителя, который обладает требуемыми свойствами,такими как сцепление, сопротивление истиранию, сопротивление первоначальному износу и предотвращение разрыва.Существует три продукта, которые значительно улучшают свойства натурального каучука: сажа, кремнезем и органосилан. В настоящее время производимые в наноразмерной форме, эти частицы, также как сшивка с молекулами натурального каучука, играют ключевую роль в свойствах шин.
Исследователи также напечатали датчики из углеродных нанотрубок, которые следят за износом шин в режиме реального времени.
Нанотехнология для автомобильного движения
При создании электромобиля необходимо учитывать четыре основных требования: мощное и безопасное хранение энергии, чтобы обеспечить автомобилю достаточную дальность движения; двигатели и связанные с ними электронные компоненты, которые наилучшим образом используют накопленную на борту энергию; легкие компоненты для компенсации (на данный момент) дополнительного веса батарей; и все это по цене, которая может конкурировать с бензиновыми автомобилями.
В настоящее время во всем мире интенсивно разрабатываются литий-ионные аккумуляторы для использования их в электромобилях. По общему мнению исследователей, батарея будет литий-ионного типа, но какой из литий-ионных химикатов использовать до сих пор остается главным вопросом.
Нанотехнологии вселяют большие надежды на повышение производительности и срока службы литий-ионных аккумуляторов. Они также могут повысить плотность энергии и мощности, сократить время перезарядки, а также уменьшить размер и вес при одновременном повышении безопасности и стабильности аккумуляторов.
Большое количество компаний активно занимаются разработкой батарей с наноразрешением, в то время как некоторые другие уже начали их производство.
Нанотехнологии также играют ключевую роль в улучшении характеристик топливных элементов будущих поколений автомобилей с водородным двигателем.
Одной из ведущих технологий топливных элементов, разработанных, в частности, для применения на транспорте, является топливный элемент с протонообменной мембраной (PEM), также известный как топливные элементы с полимерной электролитной мембраной – оба они обозначаются одной и той же аббревиатурой PEMFC. Эти топливные элементы приводятся в действие электрохимической реакцией окисления водорода и электровосстановлением кислорода, содержащегося в воздухе.
Хотя нанотехнологии обещают дешевые биполярные материалы с использованием нанокомпозитов, более эффективных неплатиновых электрокатализаторов, а также термостойких и более долговечных мембран, которые появятся в ближайшем будущем, платина из благородных металлов все еще остается рабочей лошадкой топливных элементов PEM. Одним из способов минимизации использования платины является повышение каталитической эффективности путем наноструктурирования металлической платины. Еще один способ полностью исключить использование платины - это изучить применение гораздо более дешевых катализаторов из недрагоценных металлов, в которых наноструктурные поверхности соответствуют или превосходят каталитические свойства платины.
