Konstrukcje lotnicze zoptymalizowane dzięki materiałom na bazie grafenu

W ramach finansowanego przez UE projektu osiągnięto wysoki poziom wielofunkcyjności dzięki użyciu materiałów będących pochodnymi grafenu, które można wykorzystać w wielu zastosowaniach, od usuwania oblodzenia po ochronę przed uderzeniem pioruna. Co więcej, produkcja tych materiałów jest przyjazna dla środowiska.

Technologie przemysłowe

Zmniejszenie zużycia paliwa i emisji dwutlenku węgla przez samoloty ma kluczowe znaczenie zarówno dla zwiększenia wydajności, jak i zapewnienia zgodności z unijnym prawem o klimacie oraz celem zakładającym osiągnięcie neutralności pod względem emisji CO2 do 2050 roku. Tradycyjna produkcja samolotów polega na projektowaniu wielu funkcjonalnych komponentów osobno, a następnie łączeniu ich we jedną konstrukcję. Bardziej idealnym rozwiązaniem byłoby jednak przyjęcie zaawansowanego, zintegrowanego podejścia do produkcji, obejmującego wytwarzanie mniejszej liczby, ale bardziej złożonych części posiadających wiele funkcji. Strategia ta doprowadziłaby do zwiększenia efektywności aerodynamicznej, a także zmniejszenia masy samolotu. Projekt GRAPHICING, koordynowany przez austriacką firmę Centre for Electrochemistry and Surface Technology – CEST GmbH, pozwolił na znaczne postępy w zakresie obniżenia masy samolotu. Opracowanym w projekcie innowacyjnym rozwiązaniem są zaawansowane funkcjonalne lekkie materiały oparte na pochodnych grafenu (ang. graphene-related materials, GRM).

Opłacalna produkcja grafenu to przyszłość

Grafit, powszechnie występujący minerał, jest stabilnym alotropem węgla, często wykorzystywanym w przemyśle lotniczym. Z kolei grafen – pojedynczy arkusz grafitu – to jeden z najmocniejszych materiałów, jakie kiedykolwiek testowano. Jego zaletami są również wysoka przewodność, niska gęstość i duża powierzchnia. Sporą przeszkodą w stosowaniu materiałów na bazie grafenu jest jednak wysoki koszt produkcji. W ramach projektu GRAPHICING opracowano innowacyjny, opłacalny proces elektrochemiczny, który umożliwia wytworzenie dużych ilości płatków tlenku grafenu w skali laboratoryjnej – koszt za kilogram wynosi około 500 euro. Płatki te są następnie dostosowywane do różnych funkcji i potrzeb, takich jak odladzanie czy ognioodporność, i integrowane z polimerową matrycą kompozytową.

Przyjazna dla środowiska produkcja materiałów na bazie grafenu

Biorąc udział w programie „Inteligentny, ekologiczny i zintegrowany transport”, zespół projektu GRAPHICING uznał produkcję przyjazną dla środowiska za jeden z najważniejszych priorytetów w swojej pracy. Dlatego też do elektrochemicznej produkcji tlenku grafenu wykorzystał proces, który wymaga użycia dwóch nietoksycznych substancji chemicznych i energii elektrycznej. Jürgen Schodl, koordynator projektu i starszy badacz w CEST, zauważa: „Co więcej, materiały na bazie grafenu mogą być wprowadzane do matrycy polimerowej za pomocą procesów czysto mechanicznych, a materiały kompozytowe są wytwarzane za pomocą odpowiednich procesów laminowania – całkowicie bez użycia szkodliwych dla środowiska rozpuszczalników”. Podczas prac pojawiło się kilka wyzwań związanych z wprowadzeniem GRM do matrycy polimerowej przy użyciu procesów zielonej chemii. Na przykład, metody mechaniczne i wspomagane rozpuszczalnikami nie osiągnęły wystarczającej przewodności dla docelowych funkcji. Jednak badacze GRAPHICING przezwyciężyli ten problem, stosując w ich miejsce metodę powlekania natryskowego.

Wielofunkcyjna kompozytowa konstrukcja lotnicza

Jak wskazuje Schodl: „Najważniejszym wynikiem tego projektu jest przede wszystkim uzyskanie czterech docelowych funkcji – odladzania, ochrony przed uderzeniem pioruna, bariery dla absorpcji wody oraz hamowania płomienia – które można osiągnąć za pomocą materiałów na bazie grafenu. Co więcej, są one uzyskiwane przy użyciu opłacalnego i przyjaznego dla środowiska procesu produkcji elektrochemicznej z późniejszą modyfikacją chemiczną”. Zespołowi udało się osiągnąć te wyniki dzięki wprowadzeniu dodatkowych ulepszeń do najnowszych technologii, wśród których są nie tylko polimery zawierające grafit, ale też materiały inne niż polimery. Oba te czynniki mogą wpływać na obniżenie właściwości mechanicznych, co jest wymagane na przykład do zapobiegania oblodzeniu podczas lotu. Zespół projektu GRAPHICING pokonał obecne ograniczenia poprzez włączenie materiałów na bazie grafenu do funkcjonalnej konstrukcji kompozytowej. Powstała w ten sposób zintegrowana matryca polimerowa jest lżejsza i bardziej wydajna niż najnowocześniejsze w tej chwili rozwiązania. Badacze skupieni wokół tego projektu zademonstrowali cztery docelowe funkcje przy użyciu prototypów na małą skalę. Kolejnym krokiem na drodze do przyszłości opartej na grafenie jest zbudowanie prototypów na większą skalę i wdrożenie technologii produkcji kompozytów. Naukowcy pracują również nad udoskonaleniem materiałów na bazie grafenu i procesu ich produkcji. Dzięki mniejszej masie i przyjaznej dla środowiska produkcji konstrukcje oparte na grafenie mogą być kluczem do osiągnięcia zrównoważonego transportu lotniczego.