Нанотехнологии под капотом
Для автомобилей на топливных элементах датчики водорода будут критически важным компонентом безопасности и крайне необходимы. Они смогут обнаружить утечки задолго до того, как газ станет взрывоопасным.
Исследователи уже разработали тонкие, гибкие датчики водорода с использованием наноструктурированных материалов, то есть одностенных углеродных нанотрубок, содержащих наночастицы палладия.
Повышение эффективности использования топлива и снижение вредных выбросов выхлопных газов являются двумя ключевыми областями, в которых применение нанотехнологий окажет значительное влияние.
В современных автомобилях 10-15% расхода топлива происходит от трения в двигателе движущихся механических деталей (поршень, кривошипный привод, привод клапана). Нанопокрытия, наносимые на механические части, и наноструктуированные смазочные материалы помогают снизить трение и истирание и, таким образом, повысить эффективность использования топлива.
Другим примером многих аспектов вышеупомянутого проекта «Атомы к двигателям», осуществляемого компанией Ford, является разработка нанопокрытия с термическим напылением, которое могло бы заменить более тяжелые чугунные гильзы, которые обеспечивают необходимую износостойкость отверстий цилиндров в двигателях с алюминиевым блоком.
Это тонкое износостойкое покрытие снижает вес и улучшает характеристики трения, обеспечивая равную долговечность и надежность продукта.
Технология впрыска Piezo в настоящее время используется не только в дизельных двигателях, но и в их бензиновых аналогах. В случае непосредственного впрыска насос сначала создает высокое давление, прежде чем он подает топливо, точно дозированное в камеру сгорания цилиндра через форсунку.
Точность, с которой это происходит, напрямую влияет на процесс сгорания. Чем выше давление и чем точнее можно контролировать дозу и время впрыска, тем эффективнее будет сгорание топлива. Нанокристаллические пьезоэлектрические материалы улучшат эти свойства.
Для очистки выхлопных газов в автомобилях с бензиновым двигателем используются системы на основе трехходовых катализаторов. Они могут преобразовывать три основных загрязнителя или типа загрязняющих веществ - окись углерода, оксиды азота и углеводороды, насколько это возможно и таким образом удалять их из выхлопных газов.
При конверсии токсичных газов в нетоксичные, нанотехнологии играют решающую роль. Воздействие катализаторов, как правило, зависит от размера поверхности.
Если материал, используемый для каталитической функции, масштабируется до нанометрового диапазона, удельная поверхность резко увеличивается.
Состав и структура выбираются таким образом, чтобы выхлопные газы оптимально взаимодействовали с каталитически активным покрытием, и их химическое превращение в безвредные вещества ускорялось.
Дизайн
Применение наноматериалов к салону автомобиля в основном будет касаться вопросов комфорта - грязеотталкивающие и антимикробные ткани и поверхности, наночастицы воздушных фильтров, антибликовые покрытия зеркал. Сиденья с климат-контролем, основанные на термоэлектричестве - материалах, которые преобразуют электричество непосредственно в обогрев или охлаждение.
Поверхностные покрытия и наноспецифичные лаки приобретают все большее значение в автомобильном производстве. Благодаря добавлению керамических наночастиц, автомобильные лаки и краски обладают большей устойчивостью к царапинам. Кроме того, прозрачные нанометрические пленки, нанесенные на зеркала, ослабляют отражение фар других автомобилей. Эти листы структурированы так, что их оптические свойства могут быть адаптированы путем изменения электрического напряжения. Слепящий свет попадает на датчики, которые затем регулируют натяжение пленки, таким образом, оптические свойства зеркала.
Электрические системы и электроника
Электроника является движущей силой инноваций в автомобильном секторе, поскольку все больше и больше компонентов управляются электронным, электромеханическим или электромагнитным способом. Компоненты наноструктурированных акторов могут заменить, например, современные системы непосредственного впрыска, основанные на технологии микросистем.
Spintronics обещает произвести революцию в технике. В то время как обычные комплементарные металлооксидные полупроводники (CMOS), технологии, используемые сегодня во всех типах электроники, полагаются на заряд электронов для силовых устройств, в возникающей области спинтроники используется другой аспект электронов - их вращение, которым может управлять электрические и магнитные поля.
При использовании наноразмерных магнитных материалов спинтроника или электронные устройства, когда они выключены, не будут иметь проблемы с рассеянием энергии в режиме ожидания. Благодаря этому преимуществу устройства с гораздо более низким энергопотреблением, известные как энергонезависимая электроника, могут стать реальностью.
Быстро развивающийся сектор гибридных автомобилей не только использует аккумуляторы для накопления энергии в режиме электропривода, но также использует технологии рекуперации, то есть повторного использования энергии торможения.
Здесь движущаяся энергия преобразуется в электрический ток через генератор во время торможения и сохраняется в аккумуляторах или супер- (ультра)-конденсаторах.
Ожидается, что нанотехнологии окажут серьезное влияние в этой области. Например, ученые уже производят сверхлегкие, гибкие батареи и суперконденсаторы в форме обыкновенной бумаги.
Микроструктурированные солнечные элементы уже могут быть встроены в люки и предлагаются в качестве опции на некоторых автомобилях. Используя наноструктурированные и гибкие пластиковые солнечные элементы толщиной менее 1 микрона, станет возможным покрывать большие площади автомобиля тонкими пленками для сбора солнечной энергии.
Общая электрическая и оптическая эффективность освещения в современных автомобилях составляет всего около 1%. Это будет значительно улучшено за счет разработки дифракционных и микрооптических приборов, новых источников света и их интеграции с источником питания.
NanoMobil
В 2004 году Германия через свое Федеральное министерство образования и научных исследований (BMBF) учредила специальную программу финансирования нанотехнологий – NanoMobil, в связи с наличием новейших автомобильных технологий и для поддержания конкурентоспособности немецкого автопрома и его поставщиков.
Многочисленные научно-исследовательские институты, поставщики и автомобильные компании участвуют в многочисленных междисциплинарных проектах.