Graphen - Wie zweidimensionaler Kohlenstoff Autos verbessern kann

Lamborghini Sesto ElementoLamborghinis Sesto Elemento verwendet Kohlefaser, um sein Gewicht auf etwas mehr als 2.000 Pfund zu reduzieren, aber Graphen könnte noch größere Gewichtseinsparungsvorteile bieten. Kohlenstoff ist die Basis des Lebens, wie wir es kennen. Es war von Anfang an dabei, wirbelte und kochte in den Kernen von Riesensternen, bevor es heftig explodierte und die Bausteine ​​der Welt um uns herum schuf.

Dieses Element, eines der kleinsten und leichtesten im Periodensystem, hat das Potenzial, die Automobilindustrie zu revolutionieren. Dies kann in Form von Graphen geschehen, einer praktisch zweidimensionalen Kohlenstoffschicht, die in allen Bereichen eingesetzt werden kann, von der Herstellung von Batterien und Solarmodulen bis hin zur Biotechnologie und Filtration.

Das Wundermaterial

Graphen ist das stärkste jemals gemessene Material. Zumindest hat das die Columbia University 2008 angenommen.

James Hone, Professor für Maschinenbau, sagte: "Es würde einen Elefanten brauchen, der auf einem Bleistift balanciert ist, um eine Graphenschicht von der Dicke von Saran Wrap zu durchbrechen."

Aber das Zeug ist nicht nur robust; Es ist auch ein fantastischer Wärmeleiter bei Raumtemperatur und einer der effizientesten elektrischen Leiter, die der Mensch kennt.

Graphen-Aerogel ist auch das leichteste Material der Welt, siebenmal leichter als Luft. Ein Quadratmeter davon, ein einzelnes Atom dick und in einem hexagonalen Gitter gebunden, wiegt nur 0,77 Milligramm.

Graphen

Graphen ist eine Auswahl an Erstplatzierungen. Es kann verwendet werden, um Touchscreens, Wasserfiltrationssysteme, Computernanoröhren und Geweberegenerationssysteme zu erstellen. Es kann sogar Wasserstoffpartikel in der Atmosphäre isolieren.

Und wir haben noch nicht einmal Automobilanwendungen erhalten.

Die Zukunft

Stellen Sie sich vor, Sie bauen ein Auto aus einem Material, das über 100-mal stärker als Stahl ist und um ein Vielfaches leichter ist und 30-mal schneller als Silizium Strom leiten kann. Stellen Sie sich dann vor, dass die Substanz auch als riesiges Solarpanel fungieren kann. Das Bild bekommen? Ja, Graphen könnte ein Spielveränderer sein.

Bereits 2011 gelang der University of Technology Sydney ein bedeutender Durchbruch durch die Synthese von Graphenpapier (GP), einer ultradünnen Graphitschicht, die eine fünf- bis sechsmal geringere Dichte als Stahl aufweist, jedoch mit der zehnfachen Zugfestigkeit zweimal härter ist Festigkeit und 13-mal höhere Biegesteifigkeit.

Mit Graphen oder einem Material auf Graphenbasis brauchen Sie nur eine steife Brise, um einen Ferrari von der Linie zu schlagen.

Diese flexible Haltbarkeit könnte für Autohersteller von unschätzbarem Wert sein, die sie als Beschichtung für undurchlässige Fahrermodule, als Panzerung für Militärfahrzeuge und sogar als schlagfeste Aufhängungskomponenten für Offroader verwenden könnten.

Denken Sie an die Auswirkungen, die Kohlefaser hatte. Der Lamborghini Sesto Elemento verwendet das Polymergewebe in Karosserie, Federung, Antriebswelle und Fahrwerk und reduziert das Gewicht auf nur 2,202 Pfund. Mit Graphen oder einem Material auf Graphenbasis brauchen Sie nur eine steife Brise, nicht einen so großen V10, um einen Ferrari von der Linie zu schlagen.

Kein Performance-Fan? Schauen Sie sich den Münchner Visio.M EV an, einen 992-Pfund-Schrägheck, der nur 20 PS benötigt, um 100 Meilen zu fahren. Und woraus besteht der Visio.M? Kohlefaserverstärkter Kunststoff (CRFP) und Aluminium, Materialien, die im Vergleich zu diesem „Wundermaterial“ wie Blei aussehen.

Schneller Vorlauf in die Zukunft und wir könnten möglicherweise ganze Autos daraus machen, bis hin zu den flexiblen, silikonlosen Solarmodulen, die einen Rekordwirkungsgrad von 15,6 Prozent aufweisen.

Erreichbarer ist jedoch die Verwendung von Graphen bei der Entwicklung von superstarken Verbundwerkstoffen und kompakten, potenten Lithium-Schwefel-Batterien.

MAPL-Xi-Kathode Foto über AIP Publishing

Nach Angaben des American Institute of Physics sind Lithium-Schwefel-Batterien viel dichter als Lithium-Ionen-Batterien und können viermal so viel Energie speichern wie ihre Gegenstücke. Darüber hinaus ist Schwefel unglaublich billig.

Die unglückliche Seite ist, dass diese Batterien zwar effizient sind, aber eine kurze Lebensdauer haben, da sich der Schwefel in den flüssigen Elektrolyten auflöst.

Hier kommt Graphen ins Spiel. Da die leitfähige Substanz als physikalische Barriere in der Batterie fungiert, ist die Energieübertragung weiterhin ohne den aktiven Schwefelabbau zulässig, der bei engem Kontakt auftritt.

Graphen kann jedoch auch zur Verbesserung von Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden.

Mit diesen Carbon-Abdeckungen bleibt Ihnen ein Energiespeicher übrig, der leichter, kleiner, billiger, dichter und mit einer höheren Toleranz für Überladung als Lithium-Ionen ausgestattet ist.

Graphen kann jedoch auch zur Verbesserung von Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden, und Sie werden nie erraten, welcher Autohersteller die größten Wellen auf diesem Gebiet erzeugt.

Berichten zufolge entwickelt Tesla Technologien, mit denen die Reichweite seiner Fahrzeuge mithilfe von Batterieelektroden auf Graphenbasis von rund 300 Meilen auf fast 500 Meilen gesteigert werden kann. Denken Sie daran, dass das Medium Strom leitet, wie es nur wenige Substanzen können, was eine höhere Kapazität und ein schnelleres Laden insgesamt bedeutet.

Es gibt jedoch einige Probleme.

Nachteile

Wie dies geschrieben steht, gibt es keine kommerzialisierten Massenproduktionsmittel für Graphen. Und weil es so neu ist (es wurde 2003 entdeckt und erstmals 2004 hergestellt), stecken die Technologien, mit denen es verarbeitet wird, noch in den Kinderschuhen. Sie sind also teuer.

Insbesondere ist es schwierig, das Supermaterial in einer echten zweidimensionalen Form in großem Maßstab zu erzeugen. 2D-Kristallite neigen dazu, sich in die dritte Dimension zu biegen, wenn das Material durch chemische Synthesen gezüchtet wird. Um echtes 2D-Material zu erzeugen, müssen Forscher andere Methoden anwenden.

Lamborghini Sesto Elemento Lamborghini Sesto Elemento

Gegenwärtig ist die gebräuchlichste Technik zur Synthese von hochwertigem Graphen das Peeling oder die Spaltung, bei der Monoschichten aus 3D-Graphit mit Klebeband abgezogen werden, um zu einer einzelnen Atomfolie zu gelangen. Wie Sie wahrscheinlich erraten können, ist diese Methode für die Menge des verrechneten Materials außerordentlich ineffizient.

Aber in einer Automobilwelt, die ständig nach Effizienz und Leistung strebt, muss man manchmal klein denken.

Fazit

Die meisten Experten sind sich einig, dass die Batterietechnologie die Elektrofahrzeuge zurückhält. Bei der aktuellen Technologie gibt es Bedenken hinsichtlich Kosten, Gewicht, Größe und vor allem der Reichweite.

Graphen ist ein potenzielles Mittel gegen fast alle diese Probleme, aber es hört hier nicht auf.

Dieses „Wundermaterial“ könnte ausgewählte Komponenten aus Kohlefaser, Stahl und Aluminium ersetzen, die heute in unseren Autos vorhanden sind, und unsere Lasten insgesamt entlasten, um Leistung und Effizienz zu erreichen. Es ist eine Sportwagenformel, die auf und neben der Strecke helfen kann.

Schauen Sie sich den 2015 Ford F-150 an, der durch den Wechsel von einer Stahl- zu einer Aluminiumkarosserie 700 Pfund einsparte. Stellen Sie sich vor, welche Entwicklungen Graphen in den nächsten 20 Jahren bringen könnte. Federgewichtige tägliche Fahrer, die so gut wie keine Kraft benötigen, um sich zu bewegen, und unglaublich sicher sind? Melden Sie sich bei uns an.

Für 2014 beläuft sich der weltweite Markt für das Material jedoch auf bescheidene 20 Millionen US-Dollar. Aber wir fangen wieder klein an.

Wird Kohlenstoff, der Baustein allen Lebens auf der Erde, der nächste Schritt der Automobilentwicklung sein?

Warten wir es ab.