Strutture aeronautiche ottimizzate con materiali a base di grafene
La riduzione del consumo di carburante e delle emissioni di CO2 degli aeromobili è fondamentale per aumentare l’efficienza, rispettare la normativa sul clima dell’Unione(si apre in una nuova finestra) e conseguire la neutralità in termini di emissioni di carbonio entro il 2050. La produzione tradizionale di aeromobili prevede la progettazione uno per uno dei componenti funzionali e la loro successiva integrazione nella struttura. L’ideale, tuttavia, sarebbe adottare un approccio di produzione integrativa avanzata che preveda un numero minore di parti, ma più complesse e con funzioni multiple. Questa strategia porterebbe a una maggiore efficienza aerodinamica e a una diminuzione del peso del velivolo. Il progetto GRAPHICING(si apre in una nuova finestra), coordinato dal Centre for Electrochemistry and Surface Technology – CEST GmbH(si apre in una nuova finestra) in Austria, ha compiuto progressi significativi nel tentativo di ridurre il peso del velivolo. La loro innovazione: materiali leggeri funzionali avanzati basati su materiali al grafene.
La produzione di grafene a costi contenuti è il futuro
La grafite, un minerale comune, è un allotropo stabile del carbonio spesso utilizzato nell’industria aeronautica. Il grafene, un singolo foglio carbonico di grafite, è uno dei materiali più resistenti mai testati. È vantaggioso anche per la sua elevata conduttività, la bassa densità e l’elevata area superficiale. Una criticità per l’utilizzo di materiali a base di grafene, tuttavia, è il costo di produzione elevato. Il progetto GRAPHICING ha sviluppato un processo elettrochimico innovativo ed economicamente vantaggioso che produce in modo efficiente grandi quantità di scaglie di ossido di grafene, per circa 500 euro al kg su scala di laboratorio. Queste scaglie vengono poi adattate a varie funzionalità, come lo sbrinamento e il rallentamento dell’espansione del fuoco, e integrate in una matrice polimerica composita.
Produzione ecologica di materiali a base di grafene
Lavorando all’interno del programma Smart, Green and Integrated Transport, la produzione ecologica era una priorità per i ricercatori di GRAPHICING. Per esempio, la produzione elettrochimica dell’ossido di grafene utilizza due sostanze chimiche non tossiche in combinazione con l’elettricità. Jürgen Schodl, coordinatore del progetto e ricercatore senior del CEST, osserva: «I materiali a base di grafene possono inoltre essere introdotti nella matrice polimerica mediante processi puramente meccanici e i materiali compositi possono essere prodotti mediante processi di laminazione corrispondenti, del tutto privi di solventi dannosi per l’ambiente.» Nell’applicazione di questa chimica ecologica dei materiali al grafene nella matrice polimerica sono emerse alcune criticità. Ad esempio, i metodi meccanici e assistiti da solventi non sono riusciti a ottenere una conduttività sufficiente per le funzionalità mirate. Tuttavia, i ricercatori di GRAPHICING hanno superato questo problema passando alla verniciatura a spruzzo.
Struttura composita aeronautica multifunzionale
Schodl sottolinea: «I risultati più importanti di questo progetto sono, in primo luogo, che con i materiali a base di grafene è possibile ottenere quattro funzionalità mirate: sbrinamento, protezione dai fulmini, barriera all’assorbimento dell’acqua e inibizione delle fiamme. Inoltre, sono stati ottenuti utilizzando un processo di produzione elettrochimica economico ed ecologico e una successiva modifica chimica». Questi risultati sono stati raggiunti migliorando le tecnologie più avanzate che comprendono parti multiple e non polimeri accanto ai polimeri contenenti grafite. Entrambi possono comportare una diminuzione delle proprietà meccaniche necessarie, ad esempio, per prevenire la formazione di ghiaccio in volo. GRAPHICING ha superato le attuali limitazioni incorporando materiali a base di grafene in una struttura composita funzionale. La matrice polimerica integrata risultante è più leggera e più efficiente rispetto allo stato dell’arte. I ricercatori coinvolti nel progetto hanno dimostrato le quattro funzionalità mirate utilizzando prototipi in scala ridotta. Le prossime tappe del futuro basato sul grafene comprendono prototipi su scala più grande e l’applicazione nelle tecnologie di produzione dei compositi. I ricercatori stanno anche migliorando i materiali a base di grafene e il processo di produzione. Grazie al loro peso ridotto e alla produzione ecocompatibile, le strutture a base di grafene sono essenziali per un trasporto aeronautico sostenibile.
