Uma nova maneira de fabricar fibra de carbono pode transformar subprodutos de refinaria em materiais estruturais ultraleves de alto valor para carros, aeronaves e espaçonaves.
À medida que o mundo luta para melhorar a eficiência de carros e outros veículos, a fim de reduzir as emissões de gases de efeito estufa e melhorar a autonomia dos veículos elétricos, a busca por materiais cada vez mais leves e fortes o suficiente para serem usados nas carrocerias dos carros continua.
Materiais leves feitos de fibra de carbono, semelhantes ao material usado para algumas raquetes de tênis e bicicletas, combinam resistência excepcional com baixo peso, mas estes têm sido mais caros de produzir do que elementos estruturais comparáveis feitos de aço ou alumínio. Agora, pesquisadores do MIT e de outros lugares descobriram uma maneira de fazer essas fibras leves a partir de uma matéria-prima ultrabarata: o material residual pesado e grudento que sobrou do refino de petróleo, material que as refinarias hoje fornecem para aplicações de baixo valor, como asfalto, ou eventualmente tratar como resíduo.
A nova fibra de carbono não é apenas barata de fabricar, mas oferece vantagens sobre os materiais tradicionais de fibra de carbono porque pode ter resistência à compressão, o que significa que pode ser usada para aplicações de suporte de carga. O novo processo é descrito hoje na revista Science Advances, em um artigo da estudante de pós-graduação Asmita Jana, do cientista pesquisador Nicola Ferralis, do professor Jeffrey Grossman e cinco outros do MIT, Western Research Institute em Wyoming e Oak Ridge National Laboratory no Tennessee.
A pesquisa começou há cerca de quatro anos em resposta a uma solicitação do Departamento de Energia, que buscava maneiras de tornar os carros mais eficientes e reduzir o consumo de combustível, diminuindo seu peso total. “Se você olhar para o mesmo modelo de carro agora, comparado a 30 anos atrás, é significativamente mais pesado”, diz Ferralis. “O peso dos carros aumentou mais de 15% dentro da mesma categoria.”
Um carro mais pesado requer um motor maior, freios mais fortes e assim por diante, de modo que a redução do peso da carroceria ou de outros componentes tem um efeito cascata que produz economia adicional de peso. O DOE está pressionando pelo desenvolvimento de materiais estruturais leves que correspondam à segurança dos painéis de aço convencionais de hoje, mas também podem ser feitos de forma barata o suficiente para substituir o aço completamente em veículos padrão.
Os compósitos feitos de fibras de carbono não são uma ideia nova, mas até agora no mundo automotivo eles só foram usados em alguns modelos muito caros. A nova pesquisa visa reverter isso, fornecendo um material de partida de baixo custo e métodos de processamento relativamente simples.
As fibras de carbono da qualidade necessária para uso automotivo custam pelo menos US$ 10 a US$ 12 por libra atualmente, diz Ferralis, e “podem custar muito mais”, até centenas de dólares por libra para aplicações especializadas, como componentes de naves espaciais. Isso se compara a cerca de 75 centavos de dólar por libra para o aço, ou US$ 2 para o alumínio, embora esses preços flutuem amplamente e os materiais geralmente dependam de fontes estrangeiras. A esses preços, diz ele, fazer uma picape de fibra de carbono em vez de aço praticamente dobraria o custo.
Essas fibras são tipicamente feitas de polímeros (como poliacrilonitrila) derivados do petróleo, mas usam uma etapa intermediária cara de polimerização dos compostos de carbono. O custo do polímero pode representar mais de 60% do custo total da fibra final, diz Ferralis. Em vez de usar um produto de petróleo refinado e processado para começar, a nova abordagem da equipe usa o que é essencialmente a escória deixada após o processo de refino, um material conhecido como breu de petróleo. “É o que às vezes chamamos de fundo do barril”, diz Ferralis.
“Pitch é incrivelmente confuso”, diz ele. É uma miscelânea de hidrocarbonetos pesados misturados e “é isso que o torna bonito de certa forma, porque há muita química que pode ser explorada. Isso o torna um material fascinante para começar.”
É inútil para a combustão; embora possa queimar, é um combustível muito sujo para ser prático, e isso é especialmente verdadeiro com regulamentações ambientais mais rígidas. “Há muito disso”, diz ele, “o valor inerente desses produtos é muito baixo, então muitas vezes é depositado em aterros”. Uma fonte alternativa de breu, que a equipe também testou, é o breu de carvão, um material semelhante que é um subproduto do carvão de coque, usado, por exemplo, na produção de aço. Esse processo produz cerca de 80% de coque e 20% de piche de carvão, “o que é basicamente um desperdício”, diz ele.
Trabalhando em colaboração com pesquisadores do Oak Ridge National Laboratory, que tinham experiência na fabricação de fibras de carbono sob uma variedade de condições, desde escala de laboratório até escala de planta piloto, a equipe começou a encontrar maneiras de prever o desempenho para para orientar a escolha das condições para esses experimentos de fabricação.
“O processo que você precisa para realmente fazer uma fibra de carbono [a partir do piche] é realmente extremamente mínimo, tanto em termos de requisitos de energia quanto em termos de processamento real que você precisa fazer”, diz Ferralis.
Jana explica que o tom é “feito desse conjunto heterogêneo de moléculas, onde você esperaria que, se você alterasse a forma ou o tamanho, as propriedades mudariam drasticamente”, enquanto um material industrial precisa ter propriedades muito consistentes.
Ao modelar cuidadosamente as formas como as ligações se formam e as ligações cruzadas entre as moléculas constituintes, Jana conseguiu desenvolver uma maneira de prever como um determinado conjunto de condições de processamento afetaria as propriedades da fibra resultante. “Conseguimos reproduzir os resultados com uma precisão surpreendente”, diz ela, “ao ponto em que as empresas poderiam pegar esses gráficos e serem capazes de prever” características como densidade e módulo de elasticidade das fibras.
O trabalho produziu resultados mostrando que, ajustando as condições de partida, as fibras de carbono poderiam ser feitas não apenas fortes em tensão, como a maioria dessas fibras, mas também fortes em compressão, o que significa que poderiam ser usadas em aplicações de suporte de carga. Isso abre possibilidades inteiramente novas para a utilidade desses materiais, dizem eles.
O pedido do DOE era para que projetos reduzissem o custo de materiais leves para menos de US$ 5 o quilo, mas a equipe do MIT estima que seu método pode fazer melhor do que isso, chegando a algo como US$ 3 o quilo, embora ainda não tenham feito uma análise econômica detalhada. análise.
“A nova rota que estamos desenvolvendo não é apenas um efeito de custo”, diz Ferralis. “Pode abrir novos aplicativos e não precisa ser veículos.” Parte da complicação de fazer compósitos de fibra convencionais é que as fibras precisam ser transformadas em um tecido e dispostas em padrões precisos e detalhados. A razão para isso, diz ele, “é compensar a falta de resistência à compressão”. É uma questão de engenharia superar as deficiências do material, diz ele, mas com o novo processo toda essa complexidade extra não seria necessária.
A equipe de pesquisa incluiu Taishan Zhu e Yanming Wang no MIT, Jeramie Adams na Western Reserve University e Logan Kearney e Amit Naskar no Oak Ridge National Laboratory. O trabalho foi apoiado pelo Departamento de Energia dos EUA.
Publicado em 21/03/2022 22h39
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