Будущее нанотехнологий: проблемы и перспективы

Соответствующая оптимизация сопротивления воздуха, веса автомобиля и приводного устройства привела бы к снижению потребления горючего на 6%, 15% и 28%, в результате чего можно было бы уменьшить выбросы двуокиси углерода. Намеченное Евросоюзом снижение норм выброса угарного газа и частиц (программа Евро-5) к 2008 году может быть достигнуто только путем значительного понижения потребления горючего, для чего настоятельно требуется поиск альтернативных источников питания. Например, в качестве автомобильного топлива очень перспективен экологически почти безопасный метанол, и НТ может сыграть важную роль в производстве новых методик впрыскивания горючего, реформинге топлива, аккумуляции водорода, объединении клеточных электродов и мембран для обмена протонов при сгорании топлива и т. п.

Более конкретно, можно отметить, что эффективное  использование метанола (и многих других видов топлива) требует обеспечения измельчения жидкого горючего и его микродисперсной пульверизации по заданным поверхностям, для чего весьма перспективными представляются матрицы из нанофорсунок. Подобные «нанореактивные» двигатели можно производить, создавая микроскопические (и даже субмикроскопические) каналы в материалах типа кремния или его соединений. Аналогичные наноканалы могут применяться в перспективных технологиях получения водорода из твердых видов топлива, для чего внутренняя поверхность каналов может дополнительно покрываться слоем каталитического материала типа платины.

Нанопористые материалы могут применяться и для разложения многих соединений (например, воды на водород и кислород) при использовании мембран с очень развитой поверхностью. Кроме того, микропористые вещества с большой и активной поверхностью, очевидно, представляют собой прекрасную основу для создания новых типов фильтров, механически задерживающих требуемые типы частиц.

В будущем  развитие энергетики, возможно, будет  связано с массовой заменой твердых  видов топлива и горючих веществ  на водород, который необходимо будет аккумулировать в специально создаваемых устройствах, и именно в этом наноматериалы (например, сложные фуллерены) могут оказаться исключительно полезными. Уже сейчас эксперты планируют создание емкостей-хранилищ водорода на основе фуллеренов с 10% эффективностью.

Наноструктурные материалы позволяют изготавливать легкие и одновременно достаточно прочные конструкции для некоторых деталей массового производства. Например, конструкторы автомобилей много лет создают покрытия из стекла, которые были бы прочными, но которые можно было бы быстро разбить при необходимости (аварии, кражи и т. п.). Инновационный заменитель стекла можно создать на основе поликарбоната (ПК), то есть искусственного материала, из которого делают известные всем диски CD и DVD. Это «умное» устройство (изогнутое сложным образом в некоторых частях кузова, сзади и сбоку) можно изготовить из ПК таким образом, чтобы его нельзя было никак заменить стеклянным аналогом. Для этого к поликарбонату следует просто примешать различные отбеливающие пигменты (в виде наночастиц), которые, с одной стороны, остаются прозрачными, а с другой, — защищают стекло от разрушающего воздействия ультрафиолетового излучения. Повышенная прочность к механическим повреждениям в этом случае достигается использованием нанолаков на основе полиоксанов.

 

3.2 Перспективы нанотехнологии в автомобильной промышленности

 

Перспективы нанотехнологии в автомобильной промышленности сейчас во многом связываются с использованием наноструктурных (нанофазных) металлических материалов, обладающих огромной прочностью и другими высокими механическими характеристиками, а также с производством новейших типов металлокерамики. Разрабатывается большое число лаков на основе наносистем, обладающих не только высокой прочностью, но и даже способностью к «самозалечиванию» поверхности. Кроме того, изучаются возможности армирования керамических материалов наночастицами, а также развития новых методик создания стеклокерамики. При этом во многих случаях исследователи уже планируют осуществлять автономную или местную «регенерацию» вещества на основе наполненного наночастицами искусственного материала, а также придавать описанный выше эффект самоочищения «лотоса» всем используемым лакам и стеклам.

В лабораторных условиях уже изучаются сложные  пигментные структуры, цвет которых может целенаправленно изменяться под воздействием прилагаемого электрического напряжения, что имеет огромные перспективы для оформления интерьера автомобилей. Упоминавшиеся выше ферромагнитные жидкости (взвеси магнитных частиц, феррофлюиды) также могут найти широкое применение в автомобильной промышленности. Такие вещества, меняющие вязкость в зависимости от прилагаемого извне магнитного поля, являются исключительно важными для создания «умных» амортизаторов в автомашинах следующих поколений, и уже созданы опытные образцы устройств такого типа.

 

3.3 Нанотехнологии в техническом обслуживании

 

Сфера нанотехнологий считается во всем мире ключевой темой для технологий XXI века. Возможности их разностороннего применения в таких областях экономики, как производство полупроводников, медицина, сенсорная техника, экология, автомобилестроение, строительные материалы, биотехнологии, химия, авиация и космонавтика, машиностроение и текстильная промышленность, несут в себе огромный потенциал роста. Применение продукции нанотехнологий позволит сэкономить на сырье и потреблении энергии, сократить выбросы в атмосферу и будет способствовать тем самым устойчивому развитию экономики.

Антикоррозионные составы

Накопленный опыт в области наноразмерных частиц позволил немецким ученым из Института новых материалов в Саарбрюккене заявить о возможности создания в скором времени ингибиторов коррозии нового поколения. Руководитель института профессор химии Хельмут Шмидт обрисовал принцип действия новых ингибиторов следующим образом: «…к стандартному покрытию автомобиля мы подмешиваем наночастицы, выполняющие функцию ингибиторов коррозии, причем придаем им такие свойства, чтобы они в случае необходимости обеспечивали быструю диффузию соответствующих компонентов покрытия в зону повреждения и как бы затягивали рану». То, что такие ингибиторы коррозии обладают способностью свободно перемещаться внутри твердого лакокрасочного покрытия, профессором Шмидтом было доказано уже десять лет назад. Тогда ему удалось обнаружить, что наночастицы на металлической, стеклянной или керамической поверхностях ведут себя как ионы в свободном растворе. Говоря иными словами, они стремятся обеспечить и поддерживать во всем объеме равновесие, а любой перепад концентрации, вызванный, к примеру, царапиной на лакокрасочном покрытии, тотчас выровнять за счет диффузии.

Двигатель

Значительный потенциал несут  в себе разработки новых материалов, которые могут быть использованы для конструирования новых автомобильных двигателей. Растущие год от года требования к показателям экономичности двигателей и снижению токсичности выхлопа заставляют автомобильных конструкторов вести активный поиск альтернативных чугуну и стали материалов. В качестве одного из наиболее перспективных, способных стать основой для создания новых моделей двигателя материалов рассматривается модифицированный нанокомпозитными материалами пластик. Теоретически использование таких полимеров позволит значительно упростить сам процесс изготовления различных деталей двигателя, параллельно улучшится и их точность. Показатели жесткости и прочности модифицированного пластика близки к тем, что демонстрируют металлы, но при этом пластик гораздо легче, а его использование в конструкции автомобильного двигателя позволит значительно улучшить коррозионную устойчивость деталей, снизить уровень шумов двигателя, уменьшить технологические допуски.

Существенно продлить срок службы деталей, работающих в условиях экстремально высоких температур, таких, как свечи зажигания/накала, топливные форсунки и другие элементы камеры сгорания, может начало использования в них нанокристаллических компонентов.

Нанообработка и защита двигателя

Нанозащита двигателя образует высокоэффективный наноборьер в системе смазки, который при распределении наночастиц обеспечивает минимальный коэффициент трения. Смазываются уплотнения, уплотнительные кольца круглого сечения. Обеспечивает максимальную защиту механизмов от износа, мягкую работу двигателя, увеличивает мощность двигателя, продлевает срок службы узлов и агрегатов, снижает расход топлива.

Наноочистка впускной системы

Наноочистка впускной системы(дизель,бензин) - полностью очищает впускной коллектор, впускные и выпускные клапана, камеру сгорания двигателя,без разборки. За счет целенаправленной очистки двигатель работает более устойчиво, снижается расход топлива и выброс отработавших газов.

Очищение автоматической коробки передач

С помощью новейшего высокоэффективного наносредства полностью растворяется и удаляется из масляной системы автоматических коробок передач загрязнения и отложения. Удаляются окисленные масляные осадки. Вся система смазки полностью очищается. Восстанавливается четкость переключения передач. Увеличивает срок службы АКПП.

 
Защита автоматических коробок  передач

Использование высоактивных нано средств позволяет существенно снизить трение и износ. Облегчает переключение передач и поддерживает уплотнения в рабочем состоянии. В результате увеличивается срок службы агрегатов.Совместимо со всеми маслами для АКПП. Это последнее слово в технологии производства жидкостей для АКПП.

 

Амортизаторы

Добавление в специальную жидкость наночастиц магнетита (оксида железа) с особым покрытием превращает ее в феррожидкость, вязкость которой можно изменять с помощью магнита. В современном автомобилестроении данный материал уже нашел свое практическое применение в качестве регулируемых по высоте амортизаторов.

Стекла

Проводятся испытания электрохромной системы с целью ее использования в качестве покрытия для боковых и салонных зеркал. В процессе химической обработки ионы лития перемещаются, и атомы образуют ультратонкий слой, который меняет светопропускную способность стекла, создавая эффект затемненности.

С использованием диоксида титана (TiO2) разработана технология самоочищающихся  поверхностей. При попадании ультрафиолетового  излучения на нанопокрытие из TiO2 происходит фотокаталитическая реакция, в результате которой содержащиеся в воздухе молекулы воды превращаются в сильные окислители — радикалы гидроокиси (HO), которые окисляют и расщепляют грязь.

Успешно продвигаются работы с учетом новых возможностей новой технологии по разработке солнечных батарей. Уже  запущен в мелкосерийное производство вариант автомобильной крыши, покрытой слоем кремниевых фотоэлементов мощностью 30 Вт.

Дизельные двигатели

Нанозащита и обработка дизельного двигателя помогает надежно удалить мельчайшие загрязнения от топливного бака до камеры сгорания. Удаляются нагары, смолистые и коксовые отложения в системе впрыска топлива. Гарантируется смазывание всех элементов топливной системы и их защита. Нанозащита препятствует появлению продуктов окисления топлива и росту микроорганизмов. Обеспечивает оптимальное распыление топлива и увеличивает КПД двигателя. Разрушает водяные пузырьки в дизельном топливе и обеспечивает соответствие параметров выхлопа экологическим нормам.

 
Новая высокоэффективная очистка  дизельной системы надёжно удаляет  возникшие в процессе эксплуатации автомобиля загрязнения во всей дизельной системе от бака до камер сгорания. Без остатков удаляются осмоления, клейкие вещества в форсунках и наносах впрыска топлива, остатки коксования и отложения сажи в области цилиндров. Нанообработка препятствует окислению топлива и росту микроорганизмов, смазывает и защищает всю систему питания. Улучшается распыление топлива и увеличивается мощность двигателя.

Бензиновые двигатели

Высокоэффективная очистка нового поколения. Позволяет удалить загрязнения и нагары, модифицирует влагу и конденсат в топливной системе автомобиля от бака до камеры сгорания. Удаляются смолисто-коксовые остатки и отложения сажи в головке блока цилиндров, смазывается и образуется защитный слой от коррозии и ржавчины. Не содержит компонентов, разрушающих катализаторы и турбокомпрессоры.

Трение

Одной из наиболее динамично развивающихся  областей нанотехнологий в секторе автомобилестроения является разработка и производство высокоэффективных антифрикционных, противоизносных и охлаждающих составов. Опытным путем было установлено, что применение данных составов приводит к сокращению расхода топлива на 2–7%, износу деталей в 1,5–2,5 раза, увеличению мощности двигателя на 2–4%.

Добавление наночастиц в автомобильные шины увеличивает их гибкость и уменьшает износ.

Отдельного разговора заслуживают  перспективы развития и совершенствования электронных компонентов автомобиля с использованием современных возможностей нанотехнологии.

Не приходится сомневаться в  том, что со временем все без исключения детали автомобиля будут нести на себе отпечаток нанотехнологического вмешательства. Не исключено, что лет эдак через …надцать у кого-то его любимый автомобиль будет похож на ковер-самолет, ну а у поклонников активного образа жизни — на сапоги-скороходы.

 

3.4 Автомобили будущего

 

Автомобили будущего. Нанотехнологии определяют форму

Автопромышленность  стала одной из первых отраслей, где быстро поняли выгоду нанотехнологий. В автомобиле сложно изобрести что-то принципиально новое; его основные элементы десятилетиями остаются все теми же — кузов, двигатель, подвеска, тормозная система, электрооборудование... приходится лишь совершенствовать каждый компонент. Концепт-кары ведущих мировых автодизайнеров поражают футуристичностью форм и технических решений. А воплощение в жизнь смелых идей уже невозможно без применения нанотехнологий.

Авто  будущего — какое оно? Может, это  машина, кузов которой запросто выдерживает столкновения на скорости 300 км/ч и практически не деформируется? Или автомобиль, самостоятельно «зализывающий» царапины, которыми его «наградили» при парковке? Либо… воплощение киношного фантастического прототипа — машина, которая использует в качестве топлива содержимое мусорных бачков. Точь-в-точь DeLorean из «Назад в будущее». Разве что не летает... Хотя...

Команда «На взлет!»