Будущее нанотехнологий: проблемы и перспективы

2007 Giugiaro VAD.HO (еду на водороде)

Раздайся  на стенде компании Italdesign Giugiaro в Женеве команда: «На взлет!», никто бы не удивился. Концептуальный суперкар VAD.HO, конечно, рожден ездить, но и летать вполне мог бы. Салон здесь совсем не салон, а двухместный кокпит, накрытый прозрачным фонарем. О приборной начинке уместнее сказать «авионика»: информационные дисплеи EFIS (Electronic Flight Information Systems) взяты прямо из летного арсенала.

Генералы  Aeronautica Militare Italiana (AMI), не раздумывая, приняли бы Giugiaro VAD.HO на «вооружение»

Сама  по себе смещённая к борту кабина не новость – такими щеголяли еще  гоночные монопосто середины прошлого века, но вот чтобы мотор располагался сбоку от кокпита, да не простой двигатель внутреннего сгорания, а экологически безопасный «водородный» V12 от спецверсии «семерки» BMW... Нет, такого еще не было ни на суперкарах, ни на самолетах.

Идем  ко дну

Эта машина не летает. Зато плавает — точно!

Rinspeed sQuba

У швейцарской  компании Rinspeed уже есть опыт разработки рабочих прототипов автомобилей-амфибий. Нашумевшая модель Splash на подводных крыльях установила мировой рекорд, переплыв Ла-Манш за 3 часа 13 минут 47 секунд.

Rinspeed sQuba не тонет. Автоподлодка от швейцарской тюнинговой компании Rinspeed

Насмотревшись фильмов про Джеймса Бонда, швейцарцы  воодушевленно стали разрабатывать… «подводный» автомобиль. Опыт удался - концепт Rinspeed sQuba был представлен на Женевском автосалоне.

 

 

Автомобиль-подлодка, элементы которого выполнены на основе углеродных нанотрубок, а салон инкрустирован обыкновенными жемчугом и бриллиантами

Концепт представляет собой первый в мире двухместный родстер, способный передвигаться под водой. Движение осуществляется за счет двух водоструйных двигателей, расположенных в «кормовой части». Для удобства водителя и пассажира, которые с головой окунутся в воду (верх автомобиля — открытый), предусмотрено специальное устройство для дыхания, похожее на кислородную маску акваланга.

Morgan Lifecar

Нанотехнологии в автомобилестроении используются для усовершенствования практически каждого блока и даже каждой детали — от двигателя до самореза. А что касается автомобилей будущего, тех, на которых мы будем ездить всего-то через пару десятков лет, то здесь фантазия автопроизводителей, пожалуй, нуждается разве что в том, чтобы ее кто-нибудь утихомирил.

 

 

«Пришелец»  из будущего: Morgan Lifecar от британской компании Morgan Motor Company. Сделан из самых современных материалов

Звезды  трансформеров

С помощью  нанотехнологий привычный автомобиль можно преобразить так, что его не узнали бы ни Готлиб Даймлер, ни Генри Форд, ни кто-то другой, стоявший «у истоков».

Audi Virtuea Quattro

Взять, например, концепт «автомобиля будущего»  от Audi — Virtuea Quattrо, разработанный в центре дизайна Audi/VW в Калифорнии. Этот автомобиль работает, естественно, на водороде, и рассчитан на одного человека. Virtuea Quattro будет формировать свой внешний облик при помощи голографических изображений, программировать которые сможет сам водитель через многофункциональный интерфейс.

 

 

Наводящий галлюцинации концепт Audi — Virtuea Quattro. Запросто может прикинуться бетономешалкой

Миллионы  схем, заложенных в память бортового  компьютера Virtuea Quattro, позволят выбрать для машины любой «наряд» – от средневековой кареты или болида 1950-х до … пожалуй, до имитации «облика» соковыжималки. Или ракетного крейсера — это уж как ваша душа пожелает.

Автомобили будущего. Нанотехнологии определяют форму

Mercedes-Benz SilverFlow

Совсем  скоро на смену целому «зоопарку» типов кузовов придет один, способный  менять свою форму в зависимости  от конкретного запроса водителя. Корпус «Мерседеса» — это магнитное соединение (металлические наночастицы удерживаются вместе магнитными полями), которое может восстанавливать свою форму по одному клику на брелоке сигнализации или внутри автомобиля. Водитель сможет выбирать тип корпуса авто из нескольких возможных «предустановленных» скинов. Выбор цвета машины просто неограничен — мечта для девушек, подбирающих себе автомобиль под цвет любимой губной помады.

Магнитные поля помогут концепту мгновенно  регенерировать после удара. SilverFlow восстанавливает свою первоначальную форму простой «перезагрузкой».

 

 

SilverFlow — рождение формы. Появление золотых областей будет информировать о завершении «трансформации» и готовности автомобиля к поездке

Передача  механической энергии к колёсам, по мыслям мерседесовцев, передаётся специальной жидкостью, молекулы которой приводятся в движение электростатическими наномоторами. Четыре поворотных колеса позволят автомобилю разворачиваться на месте и парковаться боком. Руля и привычных педалей в SilverFlow вы не найдёте, ускорение и направление движения будут задаваться двумя рычагами, установленными по бокам водительского места.

Mercedes-Benz SilverFlow — «серебряный поток». По команде «Слиться!» паркуется куда угодно. Например, в ведро.

Автомобиль  в исходном состоянии представляет собой небольшой эллипсоид из ферромагнетика — такая лужица жидкого металла, которую гораздо легче хранить, нежели полноразмерный автомобиль. Больше не придется впадать в отчаяние, в двадцать пятый раз нарезая круги вокруг офисной стоянки. Слил машину в ведерко для игры в песочек и бережно принес с собой в офис.

Вот только что будет, если по забывчивости дашь команду автомобилю «слиться», оставив  внутри пассажиров, разработчик концепта почему-то молчит…

Toyota Biomobile Mecha

2057 год.  Ограниченное пространство городских  улиц и вертикальная архитектура  требуют от автопрома создания новейших автомобилей, которые смогут выжить в городских джунглях и устраивать гонки по вертикали. Инновационные решения автопроизводители находят в биомимикрии.

«Мусороуборочная» Toyota Biomobile MECHA. Четыре нанолазерных колеса легко приспосабливаются к любой трассе

Да, это  не DeLorean. Тем не менее «это» точно так же, как и культовый «киношный» DMC, работает на содержимом мусорных бачков. Так захотела Toyota. А еще ее концепт Mecha действительно исполняет функцию мусорщика, собирая и используя рассеянные в воздухе частицы вредных газов: двигаясь, авто попутно очищает атмосферу.

Колеса  из практически нематериальных «нанолазеров» позволят автомобилю ездить в любом направлении и с любым наклоном, а корпус (внимание, на этот раз уже не облик, как у Audi, а корпус!) сможет трансформироваться в соответствии с дорожными условиями, увеличиваясь или сжимаясь в размерах и не снижая аэродинамических свойств автомобиля.

Можно и  самому поуправлять внешним видом. Надо вам спорткар? Заберите. А если вам неожиданно приспичило перевезти комод и телевизор, то ваш спорткар превращается… превращается… ну, допустим, в фургончик. Хорошо постаравшись, можно даже обеспечить себе машину со спальным местом. Если скрестить разработку Toyota с идеями Audi,получится просто мечта — автомобиль-трансформер, меняющий не только форму, но и облик.

 

4. Автомобилестроение и нанокомпозиты

 

Автомобильная промышленность проявляет большой  интерес к нанотехнологиям, обеспечивающими новые возможности значительного уменьшения веса, улучшения эксплуатационных качеств, внешнего вида и пригодности к переработке для вторичного использования. Также исследуются новые направления использования нанокомпозитных материалов. Как же развиваются эти тенденции?

 

Автопром лидирует в нанореволюции.

Изготовители  комплексного оборудования и ряд  поставщиков в сотрудничестве с академическими институтами, такими как Университет штата Мичиган (Michigan State University) и Университет Цинциннати (University of Cincinnati), стремятся найти перспективные области применения этих новых материалов. Нанотехнологии вызывают изменения во всей автомобильной отрасли, почти на каждом уровне использования материалов, комплектующих частей и систем. Буквально в каждом выпущенном в США автомобиле используются какие-либо из нанокомпозитных материалов, чаще всего это углеродные нанотрубки в сочетании с нейлоном, используемые в топливной системе для защиты от статического электричества. Компания Hyperion Catalysis планирует вводить нанотрубки в другие полимеры, применяющиеся в топливных системах автомобилей.

Новый компаунд фторполимера с нанотрубками применяется при изготовлении уплотнительных колец для топливной системы автомобилей. Более десяти лет назад компания Toyota впервые применила при производстве автомобилей коммерческие нанокомпозиты, разработав композит нейлона с наноглиной для жесткого и термостойкого покрытия нейлоновых зубчатых ремней.

Начиная с 2002 года, компания General Motors успешно применяет первые промышленные композиты с наноглинами и нанотальком при изготовлении накладок порогов для минивенов Safari и Astro; сейчас компания использует почти 250 тыс. кг нанокомпозитных материалов в год для изготовления различных наружных автомобильных частей и накладок, включая некоторые части автомобиля Hummer H2 SUT. Кроме композитов термопластичных эластомеров с наноглиной, компания исследует возможность применения углеродных нанотрубок для замены существующих термореактивных конструкционных композитов. Компания Dow Automotive развивает процесс реактивной экструзии для производства нанокомпозитов на основе наноглин и циклического бутилентерефталата (ЦБТ), производимого компанией Cyclics Corporation.

Компании  Further, Sud-Chemie AG и Putsch Kunststoffe GmbH разрабатывают семейство нанокомпозитов ELAN XP для внутренней отделки автомобилей на основе смесей полипропилена (ПП) и полистирола (ПС). ПП и ПС в обычных условиях несовместимы, однако минеральный наполнитель Nanofil компании Sud-Chemie образует с ними устойчивые к царапинам компаунды с приятной на ощупь однородной матовой поверхностью. Специалисты компании Ford’s Research and Innovation Center также изучают ряд нанокомпозитных материалов, разрабатывая улучшенные покрытия и прочные материалы с повышенной износостойкостью. Компания образовала совместное предприятие с компанией Boeing и Северо-западным университетом США (Northwestern University) для исследования промышленного применения нанотехнологий.

В последние  годы постепенно расширяется применение в автомобилях электропроводных полимеров. Область применения электропроводных полимеров простирается от наружных кузовных панелей, до оптических микропереключателей, наноразмерных интеллектуальных переключателей и датчиков. Термопластические нанокомпозиты, содержащие взвесь углеродных нанотрубок, стали основными композитными материалами для топливных трубопроводов, в которых полимеры заменяют традиционную сталь. Электропроводные полимеры разрабатываются также для использования в наружных панелях кузова, они могут быть окрашены на тех же электростатических окрасочных линиях, что и заменяемые ими стальные детали, позволяя значительно сократить капитальные вложения в монтаж нового оборудования по сравнению со специальными окрасочными линиями для окраски пластиковых панелей. Среди основных направлений применения нанокомпозитов в автомобилестроении в последующие 10 лет прогнозируется появление систем хранения водорода, топливных элементов и батарей суперконденсаторов. Эти направления окажут существенное влияние на создание новых устройств выработки и хранения электроэнергии, применяемых в автомобильной промышленности. Такое свойство нанокомпозитов, как огнестойкость, также обеспечит создание новой области применения — для оформления салона автомобиля, в то время как нанокомпозиты на основе биопластиков позволят пересмотреть отношение ко вторичному использованию и биоразложению материалов.

Нанокомпозиты General Motors

Компания General Motors постепенно расширяет использование нанокомпозитов в своей продукции, уменьшая вес транспортных средств при одновременном обеспечении требуемого качества, пригодности для повторного использования и умеренной стоимости. В 2002 году компания успешно внедрила первый промышленный нанокомпозитный материал для внешнего оформления автомобилей на своих минивенах GMC Safari и Chevrolet Astro.

Компания  Blackhawk Automotive Plastics, Inc. выпускает деталь — порог-подножку из термопластического олефина с включением хлопьев наноглины размером 1 нанометр производства компании Southern Clay Products.

Рис. 2. Нанокомпозитная подножка.

 

Порог оказался более прочным и менее ломким при низких температурах, чем изготовляемые с применением обычного наполнителя — талька, и почти в десять раз легче. В 2004 году компания расширила применение нанокомпозитных материалов боковыми молдингами кузова для своих Chevrolet Impala, одного из самых крупногабаритных автомобилей компании GM, и Chevrolet Cavalier Coupe. Хотя и было достигнуто некоторое уменьшение веса, основным преимуществом внедрения нанокомпозитных материалов в эти части стало устранение тенденции деформации молдингов. Для достижения того же модуля изгиба требуется вчетверо меньше наноглины, чем традиционного талька. Нанокомпозит оказался также более устойчивым к царапинам и малым перегибам несущего листа кузова, эти преимущества были оценены большинством покупателей продукции компании GM.

Рис. 3. Зависимость модуля изгиба от количества минерального компонента.

 

 

Многофункциональный универсал Hummer GM H2 SUT (грузовой пикап) представляет собой новейший в линейке продукции компании автомобиль, в котором применяются легкие нанокомпозитные материалы с улучшенными характеристиками. В грузовой платформе каждого пикапа H2 SUT используется приблизительно 2,6 кг формованных окрашенных нанокомпозитных деталей: для центральной полки, панелей стоек, ограждения верхних кромок кузова и отделки. Прочные нанокомпозитные материалы имеют меньший вес, более устойчивы к царапинам, чем ранее используемые материалы, и лучше прилегают к кузову, поскольку не изменяют форму при колебаниях температуры, улучшая таким образом качество транспортного средства в целом.

Компания  Basell USA производит нанокомпозитные материалы на основе термопластичных полиолефинов и при использовании формы SportRack для изготовления деталей автомобилей Hummer, собираемых компанией GM на заводе в Мишавоке, штат Индиана. В настоящее время компания GM использует ежегодно приблизительно 250 тыс. кг нанокомпозитных материалов, что, как полагают, является наибольшим в мире количеством используемых олефиновых нанокомпозитных материалов. Как заявил Вилл Родджерс, научный сотрудник Центра исследований и разработок компании GM, «В будущем наши нанокомпозитные материалы будут применяться в не несущих деталях наружной обшивки, для оформления салона и внешней отделки». Нанокомпозитный материал, используемый в транспортных средствах компании GM, был разработан Центром исследований и разработок компании GM в Уоррене, штат Мичиган, в сотрудничестве с компаниями Basell и Southern Clay Products, Inc.