Aνθρακονήματα στην ευρεία παραγωγή
Οι ολοένα και αυστηρότερες προδιαγραφές εκπομπής ρύπων ωθούν την αυτοκινητοβιομηχανία στην υιοθέτηση νέων τεχνολογιών στον τομέα των κινητήρων. Ωστόσο, η εξέλιξη δεν περιορίζεται κάτω από το καπό: τα ανθρακονήματα, για παράδειγμα, μοιάζουν πλέον ως το ιδανικό υλικό κατασκευής αμαξωμάτων.Πέρα από το downsizing, την ενσωμάτωση τούρμπο, άμεσου ψεκασμού και μεταβλητού χρονισμού, την επικείμενη αλλαγή σε ηλεκτρικά συστήματα 48V, αλλά και τα εναλλακτικά συστήματα μετάδοσης, που συνεχώς κερδίζουν έδαφος (ηλεκτροκίνηση, plug-in υβριδικά), η αεροδυναμική και το βάρος των αυτοκινήτων είναι εξίσου σημαντικές παράμετροι εξέλιξης. Μείωση του βάρους συνεπάγεται άμεση μείωση της κατανάλωσης και της εκπομπής CO2, αλλά και δυνατότητα υιοθέτησης ακόμα μικρότερων, οικονομικότερων κινητήρων εσωτερικής καύσης ή ηλεκτρικών μοτέρ. Εν αναμονή των μπαταριών νέας τεχνολογίας, η αυτοκινητοβιομηχανία δεν μπορεί, άλλωστε, να κάθεται με σταυρωμένα χέρια...
Κάποτε τα ανθρακονήματα θεωρούνταν κάτι εξωτικό, κάτι που εν πολλοίς ισχύει ακόμα και σήμερα. Η χειρωνακτική, άρα και ακριβή όσο και χρονοβόρα παραγωγή τους, η ως εκ τούτου χρησιμοποίησή τους σε αγωνιστικά ή πανάκριβα υπεραυτοκίνητα πολυτελείας, αλλά και οι φυσικές τους ιδιότητες (το χαμηλό βάρος και η εκπληκτική σχέση βάρους-ακαμψίας) τα κατέστησε το άγιο δισκοπότηρο της σύγχρονης αυτοκινητοβιομηχανίας. Δεν υπήρξε τμήμα μάρκετινγκ που να μην εκμεταλλεύτηκε την ύπαρξη τμημάτων κατασκευασμένων από ανθρακονήματα (ακόμα κι αν αυτά περιορίζονταν στα... διακοσμητικά φιλέτα του ταμπλό!), ενώ η κατασκευή ολόκληρου μονοκόκ πλαισίου από το εν λόγω υλικό αποτελούσε το highlight της αυτοκινητικής χρονιάς, πάντα σε περιορισμένα αντίτυπα και για λίγους εκλεκτούς. Η πρώτη σοβαρή απόπειρα παραγωγής ενός οικονομικά προσιτού αυτοκινήτου με πλαίσιο ανθρακονημάτων έγινε περιέργως (ή ίσως και καθόλου περιέργως) από ένα μη αυτοκινητικό κατασκευαστή: το ΚΤΜ X-Bow, το πρώτο αυτοκίνητο της αυστριακής εταιρείας μοτοσυκλετών, χρησιμοποιούσε ένα τεχνολογικά προηγμένο, αλλά σχετικά χαμηλού κόστους αυτοφερόμενο αμάξωμα. Η εταιρεία, σε συνεργασία με τη Wethje, αυτοματοποίησε έως κάποιο βαθμό την παραγωγή ανθρακονημάτων, σχεδίασε έξυπνα το μονοκόκ ώστε να μειώσει περαιτέρω τον απαιτούμενο χρόνο παραγωγής, ενώ περιόρισε αισθητά και το κόστος πρώτης ύλης, χρησιμοποιώντας υλικό χωρίς πιστοποίηση προς χρήση στην αεροπορική βιομηχανία - που έτσι κι αλλιώς υπερκαλύπτει στο πολλαπλάσιο τις προδιαγραφές ασφαλείας των αυτοκινήτων. Πρόσφατα, ακολούθησε η BMW με τα i3 και i8. Όπερ και σημαίνει πως το πράγμα σοβάρεψε!
Πώς κατασκευάζονται, όμως, τα ανθρακονήματα; Πρόκειται για νήματα από ίνες άνθρακα (καθεμία δέκα φορές πιο λεπτή από μια ανθρώπινη τρίχα), τα οποία παράγονται συνήθως από πολυακρυλονιτρίλιο με τη μέθοδο της θερμικής πυρόλυσης, μια αργή, ενεργοβόρα διαδικασία. Αφού πλεχτούν σταυρωτά, βαπτίζονται σε εποξική ρητίνη και κατόπιν τοποθετούνται ανά στρώσεις σε καλούπια, όπου «ψήνονται» σε ειδικούς φούρνους, σε θερμοκρασία 120° C και πίεση περίπου 6 bar, για να στερεοποιηθούν σχηματίζοντας ένα ενιαίο υλικό. Ο αριθμός των στρώσεων (με πάχος στρώσης από 0,4 έως και 0,8 χλστ.) αλλά και η κατεύθυνση των νημάτων καθορίζονται από τις δυνάμεις που θα πρέπει να είναι σε θέση να μεταφέρουν ως έτοιμο υλικό. Η σχέση βάρους/ακαμψίας τους φτάνει το διπλάσιο ή τριπλάσιο ενός μετάλλου. Όταν, δε, χρησιμοποιείται η διάταξη «σάντουιτς», όπου μεταξύ δύο στρώσεων νημάτων παρεμβάλλεται ένα κυψελωτό υλικό από αλουμίνιο ή πλαστικό, επιτυγχάνεται 37 φορές μεγαλύτερη ακαμψία και 9πλάσια αντοχή σε σχέση με το χάλυβα. Παράλληλα, η μείωση του βάρους σε ένα αυτοκίνητο μπορεί να φτάσει έως και το 60%. Η ιδανική συμπεριφορά σε περίπτωση ατυχήματος αποτελεί άλλο ένα χαρακτηριστικό των ανθρακονημάτων και οφείλεται στην κατασκευή τους, αφού, για να διασπαστούν οι εκατοντάδες εκατομμύρια ίνες από τη ρητίνη, απορροφώνται τεράστια ποσά ενέργειας από τη σύγκρουση.
Το κύριο πρόβλημα για την έναρξη ευρείας παραγωγής τους είναι η τιμή. Με κόστος 20 δολάρια ανά κιλό, τα ανθρακονήματα εξακολουθούν να είναι είκοσι φορές ακριβότερα από το χάλυβα. Αν η τιμή τους δε μειωθεί αισθητά, η αυτοκινητοβιομηχανία δε θα καταφέρει να τα χρησιμοποιήσει σε μαζική κλίμακα. Η εμπειρία έχει άλλωστε δείξει πως ο πελάτης είναι απρόθυμος να επωμιστεί κάθε επιπλέον κόστος, ακόμα κι αν αυτό πλασάρεται σε «οικολογικό» περιτύλιγμα. Το πρόβλημα σε αυτήν την περίπτωση δεν είναι, όμως, θέμα αριθμών παραγωγής - η μείωση του κόστους της πρώτης ύλης, όσο και η εξέλιξη νέων, γρήγορων και αποδοτικών τρόπων παραγωγής και ανακύκλωσης αποτελεί τον ξεκάθαρο στόχο των κατασκευαστών. Η MAI Carbon Cluster Management GmbH, μια ερευνητική προσπάθεια που υποστηρίζεται από την ομοσπονδιακή κυβέρνηση της Γερμανίας, πανεπιστήμια και πάνω από εβδομήντα εταιρείες (κατασκευής αυτοκινήτου, αεροναυπηγικής, χημικών προϊόντων κτλ.), έχει σημειώσει τεράστια πρόοδο τα τελευταία χρόνια. Σύμφωνα με τον επικεφαλής του προγράμματος και καθηγητή στο τεχνικό πανεπιστήμιο του Μονάχου, Κλάους Ντρέξλερ, έχει καλυφθεί ήδη ο μισός δρόμος προς το στόχο και έχει ήδη επιτευχθεί η μείωση του κόστους παραγωγής κατά 90%. Κλειδί σε αυτήν την προσπάθεια αποτελεί η εξέλιξη μιας νέας τεχνολογίας: ο συνδυασμός των ινών άνθρακα με θερμοπλαστικά υλικά επιτρέπει -σε αντίθεση με τα σημερινά δεδομένα- τη διαμόρφωσή τους υπό την επίδραση θερμότητας. Για τη βιομηχανική παραγωγή τους αυτό θα σήμαινε ότι ειδικά προετοιμασμένες ταινίες ανθρακονημάτων μπορούν να διαμορφωθούν εν θερμώ σε κάθε επιθυμητό γεωμετρικό σχήμα.
Ένας αντίστοιχος «συνασπισμός» στην άλλη πλευρά του Ατλαντικού, ονόματι «Oak Ridge Carbon Fiber Composites Consortium», στον οποίο συμμετέχουν, μεταξύ άλλων, το πανεπιστήμιο της Νότιας Καρολίνας και οι εταιρείες Ford και Dow Chemical, επικεντρώνεται στην εύρεση εναλλακτικής, οικονομικότερης και λιγότερο ενεργοβόρας πρώτης ύλης και παραγωγής των ίδιων των νημάτων άνθρακα. Ένα πολλά υποσχόμενο υλικό είναι η λιγνίνη, ένα σύνθετο πολυμερές αρωματικών αλκοολών, που προκύπτει ως υποπροϊόν της παραγωγής ξυλοπολτού για τη βιομηχανία χάρτου και της όξινης υδρόλυσης του ξύλου για την παραγωγή σακχάρων και άλλων χημικών ενώσεων. Με αυτά τα δεδομένα, αλλά και την ενδελεχή ενασχόληση της αυτοκινητοβιομηχανίας -και όχι μόνο- με την εξέλιξη νέων τρόπων παραγωγής, μπορούμε να θεωρούμε ειλημμένη την απόφαση επέκτασης της χρήσης ανθρακονημάτων μεσοπρόθεσμα. Την επόμενη δεκαετία ίσως και όλοι να οδηγούμε τελικά ένα... εξωτικό υπεραυτοκίνητο._ Ν. Κ.