La fibra di carbonio viene utilizzata principalmente per la sua leggerezza e apprezzata per la sua resistenza e rigidità. Ma quando Leif Asp guarda il materiale, vede l'opportunità di farlo fare il doppio dovere in un modo che potrebbe migliorare drasticamente l'efficienza di auto e aeroplani.
"La batteria è un parassita strutturale", afferma l'ingegnere e professore presso la Chalmers University of Technology in Svezia, il che significa che aggiunge peso ed efficienza, senza contribuire alla forza fisica e alla struttura dell'auto che sta alimentando. E se i veicoli fossero costruiti con batterie?
Ecco dove Asp sta davvero andando con questa tecnologia. Vuole vedere auto, aerei, barche, persino smartwatch e altri dispositivi elettronici di consumo fatti di un materiale che agisce sia come corpo che come fonte di energia, qualcosa noto come "batteria strutturale". Un'auto che incorpora batterie strutturali potrebbe pesare fino a 50 percento in meno di un tipico EV con batterie agli ioni di litio pesanti sotto di esso, dice Asp.
Non è una novità che la fibra di carbonio abbia proprietà elettrochimiche. Come la grafite, il materiale è, in determinate configurazioni, capace di conducibilità. I ricercatori della Chalmers University of Technology hanno fatto domanda per un brevetto statunitense su una batteria in fibra di carbonio, ma in realtà portarne uno sul mercato si è rivelato complicato per il piccolo numero di persone che studiano l'idea. Una nuova ricerca del team di Asp ha identificato un aspetto particolare del materiale che rende il suo uso potenziale come batterie strutturali molto più realistico.
Leif Asp con una bobina di filato di fibra di carbonio (Johan Bodell, Chalmers University of Technology) Tutto il carbonio non è creato uguale, tuttavia, e diversi tipi di carbonio hanno proprietà diverse che li rendono applicabili a diversi usi. L'obiettivo di Asp è capire cosa si comporta come e perché e applicarlo alle applicazioni strutturali.
"Le fibre di carbonio disponibili sul mercato sono state realizzate per applicazioni strutturali o per applicazioni elettriche", afferma. Le applicazioni strutturali sono ciò che conosciamo di più, dal carbonio che compone le biciclette e altri prodotti forti e leggeri, ma a volte anche i componenti elettrici sono fatti del materiale, sebbene in un tipo diverso. Crede che ci sia carbonio che può fare entrambe le cose.
Nelle loro ultime ricerche, Asp e i suoi collaboratori hanno confrontato tre compositi e li hanno esaminati attraverso la microscopia elettronica e la spettroscopia laser. Hanno costruito la fibra in batterie, hanno esaminato le dimensioni e l'orientamento dei cristalli di atomi di carbonio uniti tra loro e hanno confrontato la rigidità, la resistenza e le proprietà elettrochimiche dei diversi materiali. I cristalli più piccoli, con una struttura più disorientata, tendono ad essere più elettrochimicamente reattivi, cioè sono più in grado di raccogliere, immagazzinare e rilasciare elettroni, e quindi fungere da batterie. Tuttavia, questi tipi di carbonio sono meno rigidi di quelli con cristalli più lunghi e allineati. (Ad ogni modo, sono molto piccoli; Asp ha confrontato la fibra con i cristalli da 18 a 28 angstrom con i cristalli da 100 a 300 angstrom e un angstrom è un decimo miliardesimo di metro.)
La visione dei ricercatori riguarda i veicoli in cui gran parte della carrozzeria o della fusoliera dell'aereo è costituita da batterie strutturali agli ioni di litio. (Yen Strandqvist, Chalmers University of Technology) L'uso di una fibra di carbonio che sacrifica una certa rigidità per ottenere una migliore conduttività potrebbe non essere un problema, perché il materiale era ancora più rigido dell'acciaio e in grado di sostenere un carico strutturale. Inoltre non regge una carica in modo efficiente come le batterie tradizionali, ma se la maggior parte dell'auto è composta da materiale, non sarà necessario perché l'efficienza complessiva sarà ancora notevolmente aumentata. I partner del settore come Airbus, che collabora con Asp dal 2015, si riferiscono a questo come "accumulo di energia senza massa".
Tuttavia, è la tecnologia che è molto lontana dall'essere pratica - potenzialmente decenni, afferma Adrian Mouritz, decano esecutivo della facoltà di ingegneria della RMIT University di Melbourne. Mouritz lavora anche allo stoccaggio di energia strutturale utilizzando la fibra di carbonio, ma il suo lavoro incorpora batterie agli ioni di litio all'interno di sandwich di carbonio, contribuendo a trasportare parte del carico strutturale e riducendo il peso morto delle batterie, anche se non ampiamente come la versione di Asp.
"L'approccio che stiamo adottando, il materiale composito è già provato, la batteria stessa è già stata dimostrata. Tutto quello che stiamo cercando di dimostrare è l'integrazione della batteria nel composito, che è un passo molto più piccolo da fare ", afferma Mouritz. "Leif è ... tecnicamente più complesso, ma i suoi benefici a lungo termine saranno più forti. Richiede ancora molta più ricerca e sviluppo per ottimizzare i materiali e il design del sistema attuale. "
Asp e il suo laboratorio stanno lavorando per renderlo già fattibile. Le prime ricerche (2014 e precedenti) hanno modificato le fibre di carbonio, introducendo una guaina di elettroliti polimerici laminati che aiuta la fibra a immagazzinare e rilasciare gli ioni in modo più efficiente, allo stesso modo in cui una batteria agli ioni di litio utilizza un elettrolita intermedio.
"Per questo volare, ovviamente, sarebbe molto tempo lontano", dice Asp. Sta lavorando con Airbus per produrre una demo, che uscirà il prossimo anno, che sostituisce luci interne e cavi con fibra di carbonio strutturale. Sebbene il maggiore risparmio di peso potrebbe essere nell'eliminazione della necessità di carburante, che secondo Mouritz rappresenta un terzo o più del budget operativo di una compagnia aerea, la demo di Airbus dimostrerà che la tecnologia è praticabile.
Mouritz vede prima applicare la tecnologia alle auto di lusso e alle auto da corsa di Formula 1 e un'ampia adozione nel mercato dei consumatori una volta che il prezzo scende e l'affidabilità è confermata. "Se riesci ad alleggerire il tuo aereo, se riesci ad alleggerire la tua automobile, l'effettivo risparmio sui costi netti di questo è di centinaia di milioni se non in miliardi di dollari", dice.
"L'altra cosa, ovviamente", aggiunge Mourtiz, "è che, se sto riducendo il consumo di carburante, in realtà sto riducendo le emissioni di gas serra".
