Mentre si cerca di migliorare l’efficienza e l’autonomia delle auto al fine di ridurre le emissioni di gas serra, la ricerca offre materiali strutturali ultraleggeri e di alto valore. Che derivano dagli scarti
di MIT Technology Review Italia
I materiali leggeri realizzati in fibra di carbonio, simili a quelli utilizzati per alcune racchette da tennis e biciclette, combinano una resistenza eccezionale con un peso ridotto, ma sono più costosi da produrre rispetto a elementi strutturali comparabili in acciaio o alluminio.
Ora, alcuni ricercatori del MIT e di altri istituti di ricerca hanno pubblicato un articolo su “Science Advances”, in cui presentano un modo per ricavare queste fibre leggere da una materia prima ultraeconomica: il materiale di scarto pesante e gommoso della raffinazione del petrolio, materiale che oggi le raffinerie forniscono per applicazioni di basso valore come asfalto, o eventualmente trattare come rifiuto.
Non solo la nuova fibra di carbonio è economica da produrre, ma offre vantaggi rispetto ai tradizionali materiali perché può avere resistenza alla compressione, il che significa che potrebbe essere utilizzata per applicazioni portanti.
La ricerca è iniziata circa quattro anni fa in risposta a una richiesta del Department of Energy, che cercava modi per rendere le auto più efficienti e ridurre il consumo di carburante abbassandone il peso complessivo. Come afferma uno degli autori, Nicola Ferralis del MIT, “il peso delle auto è aumentato di oltre il 15 percento negli ultimi anni”.
La riduzione del peso della carrozzeria o di altri componenti ha un effetto a catena. Il DOE sta spingendo per lo sviluppo di materiali strutturali leggeri che corrispondano alla sicurezza degli odierni pannelli in acciaio convenzionali, ma che possano anche essere realizzati a un prezzo sufficientemente basso da sostituire potenzialmente del tutto l’acciaio nei veicoli standard.
I compositi realizzati con fibre di carbonio non sono un’idea nuova, ma finora nel mondo automobilistico sono stati utilizzati solo in pochi modelli molto costosi. La nuova ricerca mira a ribaltare la situazione fornendo un materiale di partenza a basso costo e metodi di lavorazione relativamente semplici.
Le fibre di carbonio della qualità necessaria per l’uso automobilistico costano attualmente da 10 a 12 dollari per libbra, spiega Ferralis, e salgono fino a centinaia di dollari per libbra per applicazioni specializzate come i componenti di veicoli spaziali. Il confronto con i circa 75 centesimi per libbra dell’acciaio o i 2 dollari per l’alluminio risulta difficilmente sostenibile, anche se questi prezzi oscillano ampiamente e i materiali spesso dipendono da fonti straniere.
Queste fibre utilizzano una costosa fase intermedia di polimerizzazione dei composti di carbonio. Il costo del polimero può rappresentare oltre il 60 per cento del costo totale della fibra finale, continua Ferralis. Invece di utilizzare un prodotto petrolifero raffinato e trasformato per cominciare, il team auspica l’utilizzo dei rifiuti del processo di raffinazione, un materiale noto come pece di petrolio.
Anche se può bruciare, questo carburante è troppo “sporco” e viene gettato in discarica in quanto inutilizzabile con le nuove normative ambientali. Una fonte alternativa di pece, che il team ha anche testato, è la pece di carbone, un materiale simile che è un sottoprodotto del carbone da coke, utilizzato per esempio per la produzione di acciaio.
“Il processo necessario per realizzare effettivamente una fibra di carbonio dalla pece è minimo, sia in termini di fabbisogno energetico che in termini di sviluppo“, afferma Ferralis. Un altro autore, Jasmit Jana del MIT, spiega che la pece è “fatta di insiemi eterogenei di molecole, dove ci si aspetta che cambiando la forma o le dimensioni si modifichino drasticamente le proprietà”, mentre un materiale industriale deve avere proprietà molto coerenti.
Modellando attentamente i modi in cui i legami si formano e si reticolano tra le molecole costituenti, Jana è stata in grado di sviluppare un modo per prevedere come un determinato insieme di condizioni di elaborazione avrebbe influenzato le proprietà delle fibre risultanti. “Siamo stati in grado di riprodurre i risultati con una precisione così sorprendente”, afferma, “al punto in cui le aziende potrebbero prendere quei grafici ed essere in grado di prevedere” caratteristiche come la densità e il modulo elastico delle fibre.
“Il nuovo percorso non abbassa solo i costi a 3 dollari per libbra, andando al di sotto dei 5 dollari chiesti dal DOE, ma può aprire la strada a nuove applicazioni, non necessariamente veicoli.
(rp)
