Nuovi tessuti per il settore dell’aviazione con una duplice funzione, strutturale ed elettrica
Le industrie dei trasporti, e in particolare quella dell’aviazione, sono costantemente alla ricerca di materiali ad alte prestazioni. Un tempo ciò significava puntare alla resistenza e alla leggerezza; recentemente, questa ricerca è passata a comprendere anche esigenze a livello ecologico. Attualmente, i materiali strutturali resistenti sono tenuti a essere integrati nei sistemi elettrici e di alimentazione dei veicoli, per cui le industrie dei trasporti richiedono materiali dotati di tutte queste proprietà e, inoltre, di conduttività elettrica. Il materiale ideale potrebbe essere un filato realizzato in nanotubi di carbonio(si apre in una nuova finestra) (CNT, carbon nanotube), nanoparticelle con una larghezza compresa tra i 2 e i 10 nm costituite da fogli di carbonio arrotolati. Un filato del genere si configurerebbe come forte, resistente e in grado di condurre la corrente elettrica e potrebbe svolgere simultaneamente funzioni di matrice strutturale ed elettrica, con prestazioni migliori rispetto ai materiali utilizzati separatamente per queste finalità. Utilizzare un filato di CNT per questa duplice funzione eliminerebbe la duplicazione e ridurrebbe il peso dei materiali impiegati. Tuttavia, nonostante gli ultimi progressi avvenuti nella sintesi dei filati di CNT, la fabbricazione su macroscala di tessuti dotati delle proprietà meccaniche necessarie si è rivelata difficoltosa. Queste proprietà dipendono infatti dall’allineamento dei singoli tubi, un compito difficile da gestire.
Nuovi metodi per risolvere il problema dell’allineamento
Intrapreso con il supporto del programma Marie Skłodowska-Curie, il progetto ENERYARN(si apre in una nuova finestra), finanziato dall’UE, ha affrontato questi problemi. Il team ha sviluppato strategie per l’allungamento dei filati e nuovi modi per studiare i materiali compositi in grado di stoccare energia. Questi metodi hanno affrontato il problema dell’allineamento e grazie ad essi i ricercatori hanno dimostrato che i tessuti composti da più filati di CNT possono conseguire la combinazione delle proprietà richieste per l’impiego nell’aviazione, fungendo da componenti con un duplice ruolo strutturale ed elettrico. I filati di CNT utilizzati nell’ambito del progetto ENERYARN sono diversi dalle fibre di carbonio convenzionali. «Essi sono composti da migliaia di CNT molto lunghi che crescono in modo continuativo e in pochi secondi all’interno di un reattore di fase a gas», spiega la dott.ssa Anastasiia Mikhalchan, ricercatrice del progetto. «Abbiamo ottimizzato le condizioni in cui avveniva la sintesi, riuscendo così a raccogliere filati di CNT della lunghezza di qualche chilometro ogni ora e controllando al contempo la tipologia di nanotubi che li costituivano, a parete singola o multipla».
Tessuti superiori offrono multifunzionalità
Il principale vantaggio apportato dal nuovo processo di sintesi è la capacità di produrre tessuti autonomi direttamente fondendo filamenti di aerogel nel corso della fase di filatura, il che consente di ottenere un tessuto flessibile dotato delle dimensioni idonee per la manipolazione che può anche essere integrato come elettrodo in batterie e supercondensatori di ultima generazione. I filati offrono una conduttività elettrica e termica all’incirca 100 volte superiore rispetto alle fibre di carbonio tradizionali. Un secondo vantaggio è rappresentato dal fatto che i tessuti possono essere prodotti a partire dal metano, il principale componente del gas naturale, per cui questi materiali combinano proprietà multifunzionali con la sostenibilità. Di importanza critica risulta che l’impiego dei filati di CNT come conduttori al posto delle piastre metalliche rigide rende gli elettrodi flessibili, resistenti e più duraturi. «Abbiamo dimostrato con successo che l’integrazione dei tessuti di CNT ha permesso di realizzare elettrodi forti, resistenti e leggeri per batterie e supercondensatori di ultima generazione», aggiunge Mikhalchan. «È un’idea che sta attirando un enorme interesse da parte di ricercatori e soggetti industriali in tutto il mondo. Inoltre, le prestazioni dei nostri tessuti hanno superato quelle dei concorrenti». I ricercatori si sono anche posti il problema pratico della replica sul piano industriale dai filati di CTN fabbricati in laboratorio ai tessuti semi-industriali. Il progetto ha migliorato la resistenza alla trazione dei tessuti di CNT di quattro volte, il che ha recentemente generato controparti commerciali. Il prossimo obiettivo sarà quello di lavorare con partner industriali lungo l’intera catena di distribuzione per sfruttare i risultati di ENERYARN. Sin dalla conclusione del progetto, i ricercatori lavorano con case automobilistiche di rilievo interessate all’introduzione dei filati di CNT nei veicoli elettrici.
