Istnieją takie procesy przemysłowe, w których “włączenie prądu” jest bardziej problematyczne niż z pozoru może się wydawać. Przykład? Potrzeba podgrzania szybko poruszającego się strumienia gazu do wysokiej temperatury bez niszczenia samego elementu grzejnego. Właśnie na tym styku materiałoznawstwa, energetyki i przemysłowej praktyki pojawia się nowa propozycja z Rice University. Naukowcy pokazali, że grzałka nie musi przypominać klasycznej metalowej spirali ani sztywnej siatki. Może mieć formę włókna, przędzy, a nawet lekkiej tkaniny wykonanej z włókien z nanorurek węglowych, a jej potencjał jest ogromny.
Problem nie sprowadza się do samego “grzania prądem”
Ciepło procesowe to fundament przemysłu. Amerykański Departament Energii podkreśla, że jest to najważniejszy obszar zużycia energii w przemyśle, a zastosowania obejmują wszystko – od pasteryzacji żywności przy około 80°C po procesy przekraczające wymóg temperatury rzędu 1000°C, jak produkcja cementu. IEA zwraca z kolei uwagę, że w sektorach energochłonnych znaczna część zapotrzebowania dotyczy wysokich temperatur, zwykle powyżej 500°C, a to właśnie ten segment należy do najtrudniejszych w dekarbonizacji.
W praktyce oznacza to, że przemysł nie potrzebuje po prostu “gorącego drutu”. Potrzebuje elementu, który odda dużo energii do gazu, zrobi to równomiernie, nie wytworzy lokalnych przegrzań i nie zdeformuje się po krótkim czasie pracy. Szczególnie wymagające jest tzw. umieszczenie elementu grzejnego bezpośrednio w przepływającym gazie. Taka architektura poprawia wymianę ciepła, ale jednocześnie wystawia materiał na znacznie trudniejsze warunki pracy.
Włókna z nanorurek węglowych zamiast metalu w grzałkach
Badacze postawili na włókna z nanorurek węglowych, czyli makroskopowe włókna budowane z ogromnej liczby bardzo cienkich struktur węglowych. Po wyżarzaniu takie włókna mają rezystywność elektryczną zbliżoną do popularnych stopów nichromowych, a jednocześnie oferują wyższą wytrzymałość właściwą, wyższą przewodność cieplną, możliwość pracy przy wyższych temperaturach w gazach nieutleniających oraz kompatybilność z technikami tekstylnymi.
Mówiąc prościej – da się z nich zrobić nie tylko pojedynczy “drut”, ale też układy równoległe i porowate struktury przypominające tkaniny. Jest to zresztą najciekawszy element całej historii. Tutaj nie chodzi wyłącznie o to, że sam materiał ma dobre parametry. Równie ważne jest to, że daje się obrabiać w formy, które dla klasycznych stopów metali stają się problematyczne przy bardzo małych średnicach. Im cieńszy element grzejny, tym łatwiej oddaje ciepło do gazu, ale metale mają swoje ograniczenia mechaniczne i produkcyjne. Włókna CNTF mają z kolei te granice przesuwać.
W testach pojedynczych włókien w nieruchomym medium CNTF osiągały wartości 32 razy wyższe od nichromu w gazie obojętnym i 3,5 razy wyższe w powietrzu przy podobnych średnicach. Z kolei samonagrzewające się tekstylia CNTF w przepływającym powietrzu uzyskały około 2,4 razy lepszy wynik niż siatki z nichromu. Mówimy tutaj jednak o bardzo konkretnym wskaźniku, a nie o kompletnym bilansie całego przemysłowego systemu grzewczego. Po drugie, największa przewaga pojawia się w środowisku nieutleniającym, a więc tam, gdzie materiały węglowe mogą pracować znacznie agresywniej termicznie bez szybkiej degradacji. W zwykłym powietrzu przewaga nadal istnieje, ale staje się znacznie skromniejsza. To ważna różnica, bo między “materiałem przyszłości” a “materiałem do wszystkich zastosowań” ciągle jest bardzo długa droga.
Dlaczego “forma tekstylna” ma w tym wszystkim znaczenie?
Rice University zwraca uwagę, że przewaga tych włókien nie wynika tylko z ich właściwości elektrycznych. Równie ważna jest wysoka przewodność cieplna, która pomaga rozprowadzać ciepło i ograniczać powstawanie lokalnych gorących punktów. To właśnie takie punkty są jedną z typowych przyczyn awarii grzałek. Jeśli więc materiał lepiej rozprowadza ciepło po swojej objętości, to trudniej doprowadzić do sytuacji, w której niewielki fragment nagrzewa się do temperatury niszczącej całą strukturę. Dochodzi do tego również przewaga geometryczna. Włókna i tkaniny można tkać, dziać i układać w lekkie, porowate, przestrzenne struktury o dużej powierzchni kontaktu z gazem. W klasycznej metalowej siatce da się oczywiście zrobić coś podobnego, ale materiał szybciej zaczyna narzucać projektantowi ograniczenia, a tutaj z kolei to właśnie “tekstylność” staje się atutem inżynierskim.
Najbardziej interesujące w tej pracy jest to, że pokazuje ona kierunek, a nie gotowy produkt do zamówienia przez rafinerię czy zakład chemiczny. Sama publikacja i materiały Rice mówią dużo o mocy, geometrii i zachowaniu elementów grzejnych, ale nie rozstrzygają jeszcze całego zestawu pytań, które z punktu widzenia przemysłu bywają ważniejsze od rekordowego wyniku laboratoryjnego. Nie wiemy jeszcze bowiem nic na temat tego, jak takie układy będą zachowywać się po tysiącach cykli rozgrzewania i chłodzenia, jak zniosą zanieczyszczone strumienie gazów, jak trudna będzie ich konserwacja i jaki będzie koszt całej architektury w skali dużego zakładu.
Warto też pamiętać, że IEA wprost wskazuje, iż przemysł najłatwiej elektryfikować tam, gdzie temperatury są niższe, a technologie są już dostępne komercyjnie. Im bliżej ciężkiego przemysłu i bardzo wysokich temperatur, tym szybciej kończą się proste odpowiedzi.
Wielki potencjał w niszy przykuł zainteresowanie gigantów branżowych
Jeżeli z tych wyników płynie jakiś szczególnie praktyczny wniosek, to taki, że włókna z nanorurek węglowych mogą znaleźć zastosowanie w tych procesach, gdzie środowisko pracy już teraz jest nieutleniające albo da się je kontrolować. Tam przewaga nad klasycznym metalem rośnie najbardziej. Właśnie w takich zastosowaniach tekstylne, lekkie i bardzo cienkie elementy grzejne mogłyby zaoferować coś więcej niż zwykłą zamianę jednego materiału na drugi – mogłyby pozwolić na projektowanie zupełnie innych geometrii grzania gazu.
Nieprzypadkowa jest też obecność partnerów przemysłowych. Rice podaje, że w projekcie uczestniczyli badacze z Shell oraz z DexMat, czyli firmy komercjalizującej i skalującej produkcję CNTF. To sugeruje, że temat nie żyje wyłącznie w świecie publikacji naukowych. Ktoś już patrzy na niego pod kątem zastosowań. Nie zmienia to jednak faktu, że między “interesującą platformą materiałową” a “nowym standardem dla przemysłowych grzałek gazowych” nadal rozciąga się etap wdrożeń, testów długoterminowych i brutalnej ekonomii.
Czytaj też: Ta technologia miała umrzeć w laboratorium, ale Chiny właśnie ją uratowały
Czytaj też: Pierwszy taki obiekt w całej Europie. Z krzemu aż po horyzont popłynie prąd
Czytaj też: Koniec taniej fotowoltaiki? Luty pokazał, że panele słoneczne już drożeją
Źródła: PubMed, Rice University, Amerykański Departament Energii
