بعد تجسيد قصته.. من هو قذافي سفاح الجيزة الحقيقي؟

طريقة جديدة لصنع ألياف الكربون: هل يمكننا صناعة السيارات من بقايا البترول؟

طريقة جديدة لصنع ألياف الكربون:
هل يمكننا صناعة السيارات من بقايا البترول؟

يمكن لطريقة جديدة لصنع ألياف الكربون تحويل المنتجات الثانوية للمصفاة إلى مواد هيكلية عالية القيمة وخفيفة الوزن للسيارات والطائرات والمركبات الفضائية.

بينما يكافح العالم لتحسين كفاءة السيارات والمركبات الأخرى من أجل الحد من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري وتحسين نطاق السيارات الكهربائية ، يستمر البحث عن مواد أخف وزناً وقوية بما يكفي لاستخدامها في أجسام السيارات.

المواد خفيفة الوزن المصنوعة من ألياف الكربون ، على غرار المواد المستخدمة في بعض مضارب التنس والدراجات ، تجمع بين القوة الاستثنائية والوزن المنخفض ، ولكن إنتاجها كان أكثر تكلفة من العناصر الهيكلية المماثلة المصنوعة من الفولاذ أو الألومنيوم. الآن ، توصل الباحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وأماكن أخرى إلى طريقة لصنع هذه الألياف خفيفة الوزن من مواد أولية قليلة التكلفة: مواد النفايات الثقيلة المتروكة المتبقية من تكرير البترول ، وهي مادة توفرها المصافي اليوم للتطبيقات منخفضة القيمة مثل الأسفلت ، أو التعامل معه في نهاية المطاف كنفايات.

ليست ألياف الكربون الجديدة رخيصة الثمن فحسب ، بل إنها توفر مزايا على مواد ألياف الكربون التقليدية لأنها يمكن أن تتمتع بقوة ضغط ، مما يعني أنه يمكن استخدامها للتطبيقات الحاملة. تم وصف العملية الجديدة في 18 مارس 2022 في مجلة Science Advances ، في ورقة من إعداد طالبة الدراسات العليا أسميتا جانا ، وعالم الأبحاث نيكولا فيراليس ، والبروفيسور جيفري غروسمان ، وخمسة آخرين في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، ومعهد الأبحاث الغربية في وايومنغ ، وأوك ريدج ناشونال. مختبر في ولاية تينيسي.

دائرة من ألياف الكربون يبلغ قطرها حوالي 10 ميكرومتر.

بدأ البحث قبل حوالي أربع سنوات استجابة لطلب من وزارة الطاقة ، التي كانت تبحث عن طرق لجعل السيارات أكثر كفاءة وتقليل استهلاك الوقود عن طريق خفض وزنها الإجمالي. يقول فيراليس: "إذا نظرت إلى نفس طراز السيارة الآن ، مقارنةً بما كانت عليه قبل 30 عامًا ، فهي أثقل بشكل ملحوظ". "لقد زاد وزن السيارات بأكثر من 15 بالمائة ضمن نفس الفئة".

تتطلب السيارة الأثقل محركًا أكبر ، ومكابح أقوى ، وما إلى ذلك ، لذا فإن تقليل وزن الجسم أو المكونات الأخرى له تأثير مضاعف ينتج عنه وفورات إضافية في الوزن. تضغط وزارة الطاقة من أجل تطوير مواد هيكلية خفيفة الوزن تتناسب مع سلامة الألواح الفولاذية التقليدية اليوم ولكن يمكن تصنيعها أيضًا بسعر رخيص بما يكفي لاستبدال الفولاذ تمامًا في المركبات القياسية.

المواد المركبة المصنوعة من ألياف الكربون ليست فكرة جديدة ، ولكن حتى الآن في عالم السيارات ، تم استخدامها فقط في عدد قليل من الموديلات باهظة الثمن. يهدف البحث الجديد إلى تغيير ذلك من خلال توفير مادة بداية منخفضة التكلفة وطرق معالجة بسيطة نسبيًا.

شعر بشري وألياف كربونية ،
مع وجود مسطرة واضحة في 
النصف السفلي من الصورة.
شعر الإنسان ، المصور في اتجاه عمودي ،
أكثر سمكًا (حوالي 60 ميكرومتر)
من ألياف الكربون الموجودة خلفه.

يقول فيراليس إن ألياف الكربون بالجودة اللازمة لاستخدام السيارات تكلف ما لا يقل عن 10 دولارات إلى 12 دولارًا للرطل في الوقت الحالي ، ويمكن أن تصل إلى مئات الدولارات للرطل للتطبيقات المتخصصة مثل مكونات المركبات الفضائية. ويقارن ذلك بحوالي 75 سنتًا للرطل للصلب ، أو دولارين للألمنيوم ، على الرغم من تقلب هذه الأسعار على نطاق واسع ، وغالبًا ما تعتمد المواد على مصادر أجنبية. بهذه الأسعار ، كما يقول ، فإن صنع شاحنة صغيرة من ألياف الكربون بدلاً من الفولاذ سيضاعف التكلفة تقريبًا.

تصنع هذه الألياف عادة من البوليمرات (مثل بولي أكريلونتريل) المشتقة من البترول ، ولكنها تستخدم خطوة وسيطة مكلفة لبلمرة مركبات الكربون. يقول فيراليس إن تكلفة البوليمر يمكن أن تمثل أكثر من 60 في المائة من التكلفة الإجمالية للألياف النهائية. بدلاً من استخدام منتج بترولي مكرر ومعالج كبداية ، يستخدم نهج الفريق الجديد ما هو أساسًا الثمالة المتبقية بعد عملية التكرير ، وهي مادة تُعرف باسم طبقة البترول. يقول فيراليس: "إنه ما نطلق عليه أحيانًا قاع البرميل".

يقول: "الملعب فوضوي بشكل لا يصدق". إنها خليط من الهيدروكربونات الثقيلة المختلطة ، وهذا ما يجعلها جميلة بطريقة ما ، لأن هناك الكثير من الكيمياء التي يمكن استغلالها. وهذا يجعلها مادة رائعة للبدء بها ".

انها غير مجدية للاحتراق. على الرغم من أنه يمكن أن يحترق ، إلا أنه وقود متسخ جدًا يكون عمليًا ، وهذا صحيح بشكل خاص مع تشديد اللوائح البيئية. يقول: "هناك الكثير منها ، القيمة المتأصلة في هذه المنتجات منخفضة جدًا ، لذلك غالبًا ما يتم طمرها". أحد المصادر البديلة للقار ، والذي اختبره الفريق أيضًا ، هو طبقة الفحم ، وهي مادة مماثلة تُعد منتجًا ثانويًا لفحم الكوك ، وتستخدم على سبيل المثال في إنتاج الصلب. ينتج عن هذه العملية حوالي 80 في المائة من فحم الكوك و 20 في المائة من الفحم الحجري ، "وهو في الأساس نفايات ،" كما يقول.

من خلال العمل بالتعاون مع الباحثين في مختبر أوك ريدج الوطني ، الذين لديهم الخبرة في تصنيع ألياف الكربون في ظل مجموعة متنوعة من الظروف ، بدءًا من مقياس المختبر وصولاً إلى نطاق المصنع التجريبي ، شرع الفريق في إيجاد طرق للتنبؤ بالأداء بالترتيب. لتوجيه اختيار الظروف لتلك التجارب التصنيعية.

يقول فيراليس: "العملية التي تحتاجها بالفعل لصنع ألياف الكربون [من الملعب] هي في الواقع ضئيلة للغاية ، سواء من حيث متطلبات الطاقة أو من حيث المعالجة الفعلية التي تحتاج إلى القيام بها".

توضح جانا أن طبقة الصوت "مصنوعة من هذه المجموعة غير المتجانسة من الجزيئات ، حيث تتوقع أنه إذا قمت بتغيير الشكل أو الحجم ، فستتوقع أن تتغير الخصائص بشكل كبير" ، بينما تحتاج المادة الصناعية إلى خصائص متسقة للغاية.

من خلال النمذجة الدقيقة للطرق التي تتشكل بها الروابط والربط المتشابك بين الجزيئات المكونة ، تمكنت جانا من تطوير طريقة للتنبؤ بكيفية تأثير مجموعة معينة من ظروف المعالجة على خصائص الألياف الناتجة. "لقد تمكنا من إعادة إنتاج النتائج بمثل هذه الدقة المذهلة " ، كما تقول ، "لدرجة أن الشركات يمكن أن تأخذ تلك الرسوم البيانية وتكون قادرة على التنبؤ" بخصائص مثل الكثافة ومعامل المرونة للألياف.

أنتج العمل نتائج تُظهر من خلال ضبط ظروف البداية ، أنه يمكن تصنيع ألياف الكربون التي لم تكن قوية فقط في التوتر ، مثل معظم هذه الألياف ، ولكنها أيضًا قوية في الانضغاط ، مما يعني أنه من المحتمل استخدامها في التطبيقات الحاملة. هذا يفتح إمكانيات جديدة تمامًا لفائدة هذه المواد ، كما يقولون.

كانت دعوة وزارة الطاقة للمشاريع لتخفيض تكلفة المواد الخفيفة إلى أقل من 5 دولارات للرطل ، لكن فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا يقدر أن طريقتهم يمكن أن تفعل ما هو أفضل من ذلك ، حيث تصل إلى ما يقرب من 3 دولارات للرطل ، على الرغم من أنهم لم يفعلوا بعد تقريرًا اقتصاديًا مفصلاً. التحليلات.

يقول فيراليس: "الطريق الجديد الذي نطوره ليس مجرد تأثير من حيث التكلفة". "قد تفتح تطبيقات جديدة ، ولا يجب أن تكون مركبات." جزء من تعقيد صنع مركبات الألياف التقليدية هو أنه يجب تصنيع الألياف في قطعة قماش ووضعها في أنماط دقيقة ومفصلة. والسبب في ذلك ، كما يقول ، "هو تعويض نقص قوة الانضغاط." يقول إنها مسألة هندسية للتغلب على أوجه القصور في المواد ، ولكن مع العملية الجديدة ، لن تكون هناك حاجة إلى كل هذا التعقيد الإضافي.