Автомобиль ncv из нановолокон целлюлозы, материала нового поколения

Авто­мо­биль­ная про­мыш­лен­ность дви­жет­ся в направ­ле­нии созда­ния более эко­ло­гич­ных авто­мо­би­лей, и огром­ное коли­че­ство элек­тро­мо­би­лей явля­ет­ся дока­за­тель­ством этого.

Про­из­во­ди­те­ли авто­мо­би­лей все­гда ищут более лёг­кие мате­ри­а­лы, так как лег­кий авто­мо­биль озна­ча­ет мень­ший рас­ход топ­ли­ва и элек­тро­энер­гии, в слу­чае элек­тро­мо­би­лей. Авто­мо­биль­ные бата­реи сто­ят доро­го, поэто­му сни­же­ние веса кузо­ва озна­ча­ет, что для пита­ния авто­мо­би­ля потре­бу­ет­ся мень­ше бата­рей, что уде­шев­ля­ет про­из­вод­ство. Япо­ния дви­га­ет­ся к тому, что­бы сде­лать авто­мо­биль лег­че, авто­мо­би­ле­стро­е­ние более эко­ло­гич­ным. В этой ста­тье мы рас­смот­рим мате­ри­ал ново­го поко­ле­ния, сде­лан­ный из нано­во­ло­кон цел­лю­ло­зы и авто­мо­биль, кото­рый был пред­став­лен япон­ца­ми, сде­лан­ный с исполь­зо­ва­ни­ем это­го материала.

Материал нового поколения на основе нановолокна целлюлозы

Один из самых мно­го­чис­лен­ных мате­ри­а­лов на нашей пла­не­те — цел­лю­ло­за. Цел­лю­ло­за извест­на как основ­ной ингре­ди­ент рас­ти­тель­ных воло­кон. CNF (cellulose nanofiber) — это при­род­ное нано­во­лок­но, кото­рое может быть выде­ле­но путём дефи­бра­ции цел­лю­ло­зы из рас­ти­тель­ной био­мас­сы. Нано­во­лок­но цел­лю­ло­зы в изоби­лии встре­ча­ет­ся в дере­вьях, но его мож­но най­ти и в раз­лич­ных рас­те­ни­ях, вклю­чая бам­бук и рис.

CNF пред­став­ля­ет собой пучок нано­во­ло­кон цел­лю­ло­зы. Он может обла­дать раз­лич­ны­ми меха­ни­че­ски­ми свой­ства­ми в зави­си­мо­сти от источ­ни­ка их добычи.

Новый мате­ри­ал полу­ча­ет­ся из рас­ти­тель­ной мас­сы, кото­рая сна­ча­ла раз­мель­ча­ет­ся, а затем очи­ща­ет­ся гомо­ге­ни­за­то­ром для уда­ле­ния нецел­лю­лоз­ных ком­по­нен­тов, таких как лиг­нин. Остав­ши­е­ся цел­лю­лоз­ные волок­на окон­ча­тель­но отде­ля­ют­ся и пере­ра­ба­ты­ва­ют­ся. В ито­ге полу­ча­ет­ся лёг­кий, неве­ро­ят­но проч­ный мате­ри­ал, обла­да­ю­щий гиб­ко­стью и пла­стич­но­стью, при­год­ный для вто­рич­ной переработки.

Нано­во­лок­на могут исполь­зо­вать­ся в раз­лич­ных изде­ли­ях, начи­ная от чер­нил и закан­чи­вая про­зрач­ны­ми дис­пле­я­ми. При­ме­ня­е­мые в самых раз­ных отрас­лях про­мыш­лен­но­сти, ком­по­нен­ты CNF мож­но най­ти в филь­тру­ю­щих мате­ри­а­лах, элек­трон­ных устрой­ствах, про­дук­тах пита­ния, меди­цине, кос­ме­ти­ке, здра­во­охра­не­нии и мно­гом другом.

Использование нано-волокон целлюлозы в автомобилестроении, идея создания автомобиля NCV

Совре­мен­ные авто­мо­би­ли остав­ля­ют после себя зна­чи­тель­ные “угле­род­ные сле­ды”, начи­ная со ста­дии про­из­вод­ства и закан­чи­вая повсе­днев­ным исполь­зо­ва­ни­ем. Обес­по­ко­ен­ное выбро­са­ми и загряз­не­ни­ем окру­жа­ю­щей сре­ды, вызван­ны­ми нынеш­ни­ми авто­мо­би­ля­ми и их соот­вет­ству­ю­щи­ми про­из­вод­ствен­ны­ми про­цес­са­ми, Мини­стер­ство охра­ны окру­жа­ю­щей сре­ды Япо­нии хоте­ло вне­сти свой вклад. Кон­сор­ци­ум, создан­ный этим Мини­стер­ством в 2016 году, в кото­рый вхо­дят иссле­до­ва­те­ли Киот­ско­го уни­вер­си­те­та (Kyoto University), а так­же дру­гих науч­но-иссле­до­ва­тель­ских инсти­ту­тов и ком­па­ний, рабо­та­ет над тем, как исполь­зо­вать один из основ­ных ресур­сов стра­ны – дре­ве­си­ну, в каче­стве мате­ри­а­ла, исполь­зу­е­мо­го при созда­нии частей кузо­ва и сало­на авто­мо­би­ля. Этот мате­ри­ал лег­ко досту­пен и обла­да­ет пре­иму­ще­ством, заклю­ча­ю­щим­ся в эко­ло­гич­но­сти его производстватом.

В то вре­мя как нано­во­лок­на CNF уже исполь­зу­ют­ся в неко­то­рых про­дук­тах, его при­ме­не­ние в про­из­вод­стве авто­мо­би­лей ста­ло воз­мож­ным толь­ко бла­го­да­ря так назы­ва­е­мо­му “Киот­ско­му про­цес­су”, назван­но­му по име­ни уни­вер­си­те­та, учё­ные кото­ро­го при­ни­ма­ли уча­стие в раз­ра­бот­ке мате­ри­а­ла ново­го поко­ле­ния. В рам­ках это­го про­цес­са, полу­чен­ные из дере­ва нано­во­лок­на сме­ши­ва­ют­ся с раз­лич­ны­ми  тер­мо­пла­сти­ка­ми: поли­эти­ле­ном (PE), поли­про­пи­ле­ном (PP), поли­ви­нил­хло­ри­дом (PVC), поли­сти­ро­лом (PS), акри­ло­нит­рил­бу­та­ди­ен­сти­ро­лом (ABS), поли­кар­бо­на­том (PC). Этот про­цесс уве­ли­чи­ва­ет меха­ни­че­скую проч­ность материала.

В каче­стве демон­стра­ции тех­но­ло­гии появи­лась идея созда­ния авто­мо­би­ля, в кото­ром при­ме­ня­ют­ся мате­ри­а­лы из нано­во­ло­кон цел­лю­ло­зы. Авто­мо­биль назва­ли NCV — Nano Cellulose Vehicle (нано-цел­лю­лоз­ное транс­порт­ное средство).

Цель созда­ния и демон­стра­ции авто­мо­би­ля NCV заклю­ча­ет­ся в том, что­бы цел­лю­лоз­ные нано­во­лок­на CNF ста­ли новым важ­ным про­из­вод­ствен­ным мате­ри­а­лом для авто­мо­би­лей, посколь­ку он ока­зы­ва­ет мень­шее воз­дей­ствие на окру­жа­ю­щую сре­ду, чем дру­гие мате­ри­а­лы, и в то же вре­мя обла­да­ет высо­ки­ми экс­плу­а­та­ци­он­ны­ми характеристиками.

По дан­ным япон­ских иссле­до­ва­те­лей и про­из­во­ди­те­лей авто ком­по­нен­тов, участ­ву­ю­щих в про­ек­те, CNF до пяти раз проч­нее ста­ли, при этом в пять раз её лег­че. Это боль­шое дости­же­ние, учи­ты­вая, что авто­про­из­во­ди­те­ли уже сей­час гонят­ся за тем, что­бы сде­лать свои авто­мо­би­ли лег­че без ущер­ба для прочности.

Самым боль­шим пре­пят­стви­ем для внед­ре­ния этих новых мате­ри­а­лов в авто­мо­би­ли явля­ет­ся сто­и­мость их про­из­вод­ства. Цена авто­мо­биль­но­го сталь­но­го листа, как пра­ви­ло, варьи­ру­ет­ся от дол­ла­ра до несколь­ких дол­ла­ров за кило­грамм, CNF пока сто­ит до 90 дол­ла­ров за кило­грамм. Но более стро­гие эко­ло­ги­че­ские пра­ви­ла и стрем­ле­ние к сни­же­нию выбро­сов угле­кис­ло­го газа могут сде­лать про­из­вод­ство ново­го мате­ри­а­ла жиз­не­спо­соб­ным. К при­ме­ру, угле­во­лок­но сто­ит в 10–20 раз доро­же сталь­но­го листа, оно исполь­зу­ет­ся, пото­му что весит при­мер­но чет­верть от ста­ли и в 10 раз проч­нее. По срав­не­нию с угле­пла­сти­ком, обла­да­ю­щим ана­ло­гич­ны­ми харак­те­ри­сти­ка­ми, CNF име­ет пре­иму­ще­ство в том, что его мож­но пере­ра­ба­ты­вать, так как цел­лю­лоз­ные нано­во­лок­на настоль­ко малы, что они не раз­ру­ша­ют­ся меха­ни­че­ски в про­цес­се переработки.

CNF может исполь­зо­вать­ся при про­из­вод­стве неко­то­рых дета­лей кузо­ва и инте­рье­ра, сни­жая вес дета­лей до 50% и умень­шая общий вес авто­мо­би­ля более чем на 10%. Более лег­кий авто­мо­биль будет иметь более быст­рое уско­ре­ние и более высо­кие скорости.

Коман­да созда­те­лей авто­мо­би­ля NCV про­во­дит повтор­ные испы­та­ния дета­лей авто­мо­би­ля, кото­рые они изго­то­ви­ли, что­бы убе­дить­ся в их изно­со­стой­ко­сти, проч­но­сти и соот­вет­ствия спе­ци­фи­ка­ци­ям мате­ри­а­лов для авто­мо­биль­ных дета­лей. Пока резуль­та­ты полу­ча­ют­ся мно­го­обе­ща­ю­щи­ми. CNF срав­ним по проч­но­сти и лёг­ко­сти с углеволокном.

Несмот­ря на все пре­иму­ще­ства мате­ри­а­ла из CNF, авто­мо­биль­ные экс­пер­ты счи­та­ют, что более тра­ди­ци­он­ные облег­чён­ные мате­ри­а­лы, такие как алю­ми­ний и угле­пла­стик, оста­нут­ся наи­бо­лее попу­ляр­ны­ми аль­тер­на­ти­ва­ми ста­ли в тече­ние бли­жай­ше­го вре­ме­ни. Мате­ри­ал ново­го поко­ле­ния, сде­лан­ный из CNF, пока не явля­ет­ся ком­мер­че­ски жиз­не­спо­соб­ным. Тре­бу­ет­ся най­ти воз­мож­ность мак­си­маль­но сни­зить сто­и­мость его производства.

Автомобиль NCV

Авто­мо­биль NCV не про­то­тип и тем более не супер­кар. Это кон­цепт, создан­ный для демон­стра­ции тех­но­ло­гии изго­тов­ле­ния дета­лей авто­мо­би­ля из мате­ри­а­ла ново­го поко­ле­ния на осно­ве нано-цел­лю­лоз­ных воло­кон CNF (cellulose nanofiber), полу­чен­ных из дре­вес­ной мас­сы. CNF исполь­зу­ет­ся в кузо­ве авто­мо­би­ля (кры­ша, капот, крыш­ка багаж­ни­ка, две­ри), но и в его сило­вой конструкции.

Про­ект NCV дебю­ти­ро­вал на Токий­ском авто­са­лоне (TMS) Future Expo в 2019 году. На выстав­ке одной из тен­ден­ций было ста­вить под сомне­ние тра­ди­ци­он­ный спо­соб про­из­вод­ства, предо­став­ляя воз­мож­но­сти, кото­рые могут пред­ло­жить новые тех­но­ло­гии. Лого­тип авто­мо­би­ля NCV при­над­ле­жит Мини­стер­ству окру­жа­ю­щей сре­ды Япо­нии. Про­ект финан­си­ро­вал­ся этим мини­стер­ством и осу­ществ­лял­ся в рам­ках сотруд­ни­че­ства меж­ду япон­ским пра­ви­тель­ством, иссле­до­ва­те­ля­ми, авто­про­из­во­ди­те­ля­ми и сери­ей из 22 ком­па­ний, кото­рые поста­ви­ли раз­лич­ные компоненты.

Тот факт, что NCV эко­ло­гич­ный, не явля­ет­ся самым впе­чат­ля­ю­щим дости­же­ни­ем авто­мо­би­ля. Он лег­че и проч­нее сталь­ных авто. Мате­ри­ал из нано-цел­лю­лоз­ных воло­кон на 1/5 лег­че ста­ли и в 5 раз проч­нее её. Это отлич­ная аль­тер­на­ти­ва сталь­ных дета­лей авто­мо­би­ля. Это озна­ча­ет, что для обес­пе­че­ния доста­точ­ной тяги NCV тре­бу­ет­ся мень­шая мощность.

Про­из­вод­ствен­ный про­цесс зна­чи­тель­но сокра­ща­ет выбро­сы угле­кис­ло­го газа, обыч­но свя­зан­ные с про­из­вод­ством авто­мо­би­лей. А когда авто­мо­биль уста­ре­ет или выво­дит­ся из экс­плу­а­та­ции, все пане­ли кузо­ва из нано­ма­те­ри­а­ла могут быть пере­ра­бо­та­ны для даль­ней­ше­го использования.

Конеч­но, маши­на не пол­но­стью сде­ла­на из мате­ри­а­ла ново­го поко­ле­ния, в авто­мо­би­ле так­же исполь­зу­ют­ся тра­ди­ци­он­ные мате­ри­а­лы, такие как металл, стек­ло, рези­на и пластик.

Конструкция автомобиля, кузов, дизайн

Нано­во­лок­на CNF широ­ко исполь­зу­ют­ся в кон­струк­ции кузо­ва, две­рей, капо­та крыш­ки багаж­ни­ка, кры­ши авто­мо­би­ля NCV. Неко­то­рые дета­ли в авто­мо­би­ле состо­ят из 10–20% нано­во­ло­кон CNF, а есть дета­ли, изго­тов­лен­ные из 100% это­го ком­по­зи­та. Посколь­ку раз­мер цел­лю­лоз­ных нано­во­ло­кон мень­ше дли­ны вол­ны види­мо­го све­та, ком­по­зит мож­но сде­лать про­зрач­ным, что было так­же про­де­мон­стри­ро­ва­но на выставке.

Бла­го­да­ря исполь­зо­ва­нию цел­лю­лоз­ных нано­во­ло­кон вес авто­мо­би­ля может быть сни­жен на 20 про­цен­тов”, — пояс­нил про­фес­сор Киот­ско­го уни­вер­си­те­та Хиро­ю­ки Яно, кото­рый руко­во­дит иссле­до­ва­ни­я­ми в обла­сти цел­лю­лоз­ных нано­во­ло­кон. “Кро­ме того, топ­лив­ная эффек­тив­ность авто­мо­би­ля повы­ша­ет­ся на 10 про­цен­тов, что так­же спо­соб­ству­ет сокра­ще­нию выбро­сов CO2”.

Министр окру­жа­ю­щей сре­ды Син­дзи­ро Коид­зу­ми, при­сут­ство­вав­ший на авто­вы­став­ке, не мог удер­жать­ся от ком­мен­та­рия, когда он попы­тал­ся под­нять капот авто­мо­би­ля. “Это был пер­вый раз, когда я под­нял капот авто­мо­би­ля толь­ко одной рукой!” вос­клик­нул он.

Дизайн кузо­ва кон­цеп­та NCV был раз­ра­бо­тан Юдзо Нии­ми (Yuzo Niimi) из под­раз­де­ле­ния Toyota Customizing & Development. NCV выгля­дит как супер­кар с вер­ти­каль­но откры­ва­ю­щи­ми­ся две­ря­ми и пря­мы­ми лини­я­ми кузо­ва, напо­ми­ная Lamborghini и Acura NSX.

Тех­ни­че­ские характеристики

Ника­ких тех­ни­че­ских дета­лей кон­цеп­та NCV не было обна­ро­до­ва­но. Есть лишь пред­по­ло­же­ния, что он рабо­та­ет на водо­род­ном топ­ли­ве, либо от элек­три­че­ства. Несмот­ря на то, что авто­мо­биль выгля­дит так, буд­то он готов ездить на мак­си­маль­ных ско­ро­стях, в насто­я­щее вре­мя он раз­ви­ва­ет ско­рость все­го лишь в 12 миль/ч, доста­точ­ную, что­бы заехать на выстав­ку и вер­нуть­ся обрат­но в лабо­ра­то­рию. Основ­ное вни­ма­ние уде­ля­лось, в первую оче­редь, тому, что­бы сде­лать его из эко­ло­ги­че­ски чистых мате­ри­а­лов, а не тех­ни­че­ским характеристикам.

Салон

Инте­рьер эко­ло­гич­но­го авто­мо­би­ля име­ет тра­ди­ци­он­ную япон­скую эсте­ти­ку, с белы­ми сиде­нья­ми в сти­ле кимо­но, руле­вым коле­сом, покры­тым оплёт­кой в сти­ле руч­ки ката­ны, при­бор­ной пане­лью из нату­раль­но­го дере­ва, и золо­тым цве­точ­ным узо­ром, види­мым в несколь­ких местах салона.

Какие ещё компании используют целлюлозное нановолокно?

До сих пор раз­ра­бот­ка ком­по­зи­тов на осно­ве CNF в зна­чи­тель­ной сте­пе­ни была пре­ро­га­ти­вой про­из­во­ди­те­лей бума­ги. Раз­ра­бот­ка CNF нача­лась в 2000‑х годах. Daio и Nippon Paper Industries осу­ществ­ля­ют тесто­вое про­из­вод­ство мате­ри­а­ла с 2013 года.

Сей­час гон­ка по раз­ра­бот­ке новых мате­ри­а­лов для авто­мо­би­лей наби­ра­ет обо­ро­ты сре­ди про­из­во­ди­те­лей хими­че­ской и бумаж­ной про­дук­ции в Япо­нии, так как авто­про­из­во­ди­те­ли ищут спо­со­бы сде­лать свою про­дук­цию более эко­но­мич­ной и эко­ло­ги­че­ски чистой. К при­ме­ру, япон­ская бумаж­ная ком­па­ния Oji Holdings раз­ра­ба­ты­ва­ет мате­ри­ал, состо­я­щий из смол и CNF. По мере раз­ви­тия тех­но­ло­гии в неё будет вовле­кать­ся всё боль­ше компаний.

• Toyota Boshoku, япон­ский про­из­во­ди­тель авто­мо­биль­ных ком­по­нен­тов. Явля­ет­ся чле­ном груп­пы ком­па­ний Toyota. Они раз­ра­бо­та­ли про­то­тип двер­ной кар­ты авто­мо­биль­но­го сало­на, изго­тов­лен­ный из ком­по­зи­та CNF.
• В две­рях и капо­те неко­то­рых гоноч­ных авто­мо­би­лей в Япо­нии исполь­зу­ет­ся мате­ри­ал на осно­ве нано­во­ло­кон цел­лю­ло­зы ком­па­нии Daio Paper. Дан­ная ком­па­ния наде­ет­ся в буду­щем исполь­зо­вать тех­но­ло­гию в серий­ных автомобилях.
• Weyerhaeuser (аме­ри­кан­ская лесо­про­мыш­лен­ная ком­па­ния) сотруд­ни­ча­ет с Ford в тече­ние послед­них трёх лет, что­бы раз­ра­бо­тать спо­со­бы исполь­зо­ва­ния цел­лю­лоз­но­го волок­на в более лег­ких частях, кото­рые могут заме­нить тра­ди­ци­он­ные пла­сти­ки автомобиля.
• Furukawa Electric раз­ра­бо­та­ла новую тех­но­ло­гию про­из­вод­ства недо­ро­гих цел­лю­лоз­ных ком­по­зи­тов из нано­во­ло­кон с целью заме­ны доро­го­сто­я­щих ком­по­зи­тов. Ком­па­ния наде­ет­ся умень­шить сто­и­мость про­из­вод­ства мате­ри­а­лов из нано­цел­лю­лоз­ных воло­кон, делая про­цесс изго­тов­ле­ния одно­ста­дий­ным, сме­ши­вая нано­цел­лю­лоз­ные волок­на и смо­лу вме­сте с добав­ка­ми в экс­тру­де­ре, исполь­зуя те же тех­но­ло­гии пере­ра­бот­ки смо­лы, кото­рые он исполь­зу­ет для изго­тов­ле­ния про­во­лоч­ных кабе­лей. Ком­па­ния Furukawa наме­ре­на исполь­зо­вать свои ком­по­зи­ты CNF для внут­рен­ней отдел­ки авто­мо­би­лей, ком­по­нен­тов элек­тро­ни­ки и наруж­ных пане­лей кузова.