Jeśli cała konstrukcja czegokolwiek, co musi wystartować i szybko polecieć, będzie za ciężka, zbyt droga, podatna na zużycie albo zbyt trudna do produkowania, to sukcesu nie odniesie. Dlatego tak uważnie patrzę na nowe materiały z ambicjami, bo czasem to właśnie one zdradzają, dokąd zmierza cała branża. Tym razem takim tropem jest GX-F, czyli nanoinżynieryjny kompozyt Carbon Fiber Max, który wygląda jak próba dopisania zupełnie nowego rozdziału do historii włókna węglowego.
GX-F nie jest kolejnym “cudownym karbonem”, tylko próbą rozwiązania starego problemu
Amerykańska firma Carbon Fiber Max złożyła tymczasowe zgłoszenie patentowe dotyczące GX-F, czyli samosmarującego kompozytu lotniczego opartego na nanoinżynieryjnej architekturze. W jego skład wchodzą nanorurki węglowe, nanorurki z disiarczku wolframu, nanopłatki grafenu oraz zaawansowane matryce termoplastyczne.
Czytaj też: Samolot przyszłości będzie inny. Koniec z marzeniami. Czas spojrzeć prawdzie w oczy
W efekcie GX-F ma łączyć niską masę, wysoką wytrzymałość, odporność na zużycie, korzystne właściwości tribologiczne i możliwość formowania wtryskowego w złożone kształty. Ostatni element jest tutaj szczególnie ciekawy, bo klasyczne kompozyty węglowe bywają koszmarem produkcyjnym. Układanie warstw, kontrolowanie żywic, utwardzanie, autoklawy, kontrola jakości, odpady i skomplikowane naprawy, to cena, która kryje się za lekkością i sztywnością.
Właśnie dlatego GX-F przyciąga uwagę nie jako “mocniejsze włókno węglowe”, tylko jako próba zasypania luki między tworzywami inżynieryjnymi a klasycznymi kompozytami z włókna węglowego. Takie pozycjonowanie jest sprytne, bo nie obiecuje od razu zastąpienia całych skrzydeł w samolotach pasażerskich. Znacznie sensowniej wygląda scenariusz, w którym materiał trafia najpierw do mniejszych elementów, obudów, części narażonych na tarcie, elementów robotyki, dronów, systemów mobilnych, osłon, prowadnic, mechanizmów albo po prostu wszystkich komponentów, gdzie klasyczny plastik jest za słaby, a tradycyjny laminat zbyt drogi i zbyt uciążliwy w produkcji.
Nanorurki, grafen i disiarczek wolframu. Każdy składnik ma tutaj konkretną robotę
Nanorurki węglowe są interesujące dlatego, że pojedynczo oferują znakomity stosunek wytrzymałości do masy, przewodnictwo elektryczne i cieplne oraz potencjał wzmacniania struktur. Problem z nimi zaczyna się wtedy, gdy trzeba przejść od pojedynczej idealnej rurki do makroskopowego elementu, który można produkować powtarzalnie. Pisałem już o tym przy przewodach z włókien z nanorurek węglowych, gdzie pojedynczy materiał może zachwycać, ale skala przemysłowa brutalnie sprawdza połączenia, zanieczyszczenia, geometrię i utratę właściwości po drodze. GX-F nie ucieka od tego problemu. Wręcz przeciwnie – cały sens tej platformy polega na tym, żeby różne nanoelementy działały razem w matrycy.
Grafenowe nanopłatki mogą poprawiać przewodnictwo, sztywność, rozpraszanie ciepła i odporność materiału, choć znów – tylko wtedy, gdy uda się je sensownie rozproszyć w strukturze. Przy grafenowej piance z oleju roślinnego widać zresztą dobrze, że dzisiejszy grafen rzadko jest już prostą opowieścią o magicznej pojedynczej warstwie atomów. Coraz częściej mówimy o kompozytach, piankach, powłokach, domieszkach i architekturach, gdzie grafen jest jednym z narzędzi, a nie samodzielnym bohaterem.
Disiarczek wolframu wnosi z kolei wątek tarcia. Nanomateriały WS2 są badane jako dodatki smarne i materiały poprawiające właściwości tribologiczne, czyli związane z tarciem, zużyciem i smarowaniem. W zastosowaniach lotniczych, robotycznych czy obronnych ma to duże znaczenie, bo element nie tylko ma być lekki i mocny. Powinien też jak najdłużej zachować swoje właściwości przy ruchu, drganiach, obciążeniach i kontakcie z innymi powierzchniami.
Lotnictwo już żyje kompozytami, ale nie rozwiązało wszystkich problemów
Warto pamiętać, że lotnictwo nie czekało specjalnie na coś pokroju GX-F, żeby teraz nagle pokochać kompozyty. Samoloty pokroju Boeing 787 Dreamliner i Airbus A350 od dawna pokazują, że włókno węglowe nie jest ciekawostką, a materiałem głównego nurtu w zaawansowanym lotnictwie. W A350 ponad połowę konstrukcji stanowi CFRP, czyli tworzywo wzmacniane włóknem węglowym. W 787 zaś kompozyty również odpowiadają za ogromną część struktury podstawowej, a w tym kadłub i skrzydła.
Czytaj też: Pływające samoloty wojskowe fascynują mnie do dziś. Chiny robią z nich coś więcej
Jednak choć kompozyty weszły do lotnictwa, to nadal ciągną za sobą własny bagaż problemów. Aluminium było cięższe i miało swoje ograniczenia, ale przemysł przez dekady nauczył się je ciąć, nitować, naprawiać, certyfikować i produkować w dużej skali. Kompozyty dały niższą masę, odporność na korozję i nowe możliwości projektowania, ale w zamian wniosły trudniejszą inspekcję, bardziej wymagającą kontrolę uszkodzeń oraz produkcję, która nie zawsze dobrze znosi marzenia o taniej masowości.
Dlatego resztą rynek tak bardzo eksperymentuje, a materiały mają swoje problemy. Widać to było przy bambusowym kompozycie dla dronów, gdzie sama obietnica niższej ceny nie wystarcza, jeśli nie wiadomo, jak materiał zachowa się w danej klasie lotniczej, przy powtarzalnej jakości i długim cyklu eksploatacji. Widać to także przy kompozytowej piance metalowej, bo imponujące właściwości laboratoryjne zawsze muszą przejść przez etap produkcji, łączenia, kontroli i pracy poza idealnymi warunkami testowymi.
Samosmarujący kompozyt to nie przesada
Samosmarujący materiał może być dokładnie tym typem rozwiązania, które decyduje o żywotności całego systemu. W lotnictwie i przemyśle zaawansowanym samo tarcie nie jest drobną niedogodnością. Tarcie oznacza straty energii, ciepło, zużycie, serwis, awarie, masę dodatkowego smarowania i ograniczenia projektowe. Jeśli więc materiał sam w sobie lepiej znosi kontakt, ślizganie, cykle pracy i mikrouszkodzenia, to można projektować lżejsze, prostsze i bardziej zwarte mechanizmy. Nie oznacza to oczywiście, że GX-F nagle usunie potrzebę smarów, łożysk czy powłok ochronnych.
Bardziej już przekonuje mnie wizja materiału, który w określonych klasach komponentów zmniejsza liczbę dodatkowych zabezpieczeń albo wydłuża czas między przeglądami. Takie podejście pasuje zwłaszcza do dronów, robotów, autonomicznych platform, elementów lotnictwa elektrycznego i sprzętu wojskowego. Tam każdy gram, każdy przewód, każda osłona i każdy punkt serwisowy ma znaczenie. Dron dalekiego zasięgu nie potrzebuje tylko dobrego silnika i akumulatora. Potrzebuje również materiałów, które zniosą wibracje, uderzenia, pył, temperaturę i wielogodzinną pracę.
Największa obietnica GX-F dotyczy produkcji, a nie samych parametrów
Patrząc na GX-F, najbardziej interesuje mnie formowanie wtryskowe. Jeżeli materiał rzeczywiście pozwoli wytwarzać lekkie, wytrzymałe i odporne na zużycie elementy o skomplikowanej geometrii, to z automatu może celować w segment, w którym klasyczne kompozyty są zbyt sztywne produkcyjnie, a tworzywa techniczne nie dają wystarczającej trwałości.
Czytaj też: Elektryczne samoloty na horyzoncie. Silnik nadprzewodnikowy naprawdę działa
W lotnictwie przyszłości nie chodzi bowiem wyłącznie o jeden wielki samolot pasażerski. Coraz częściej mówimy o setkach mniejszych platform, bo dronach, eVTOL-ach, bezzałogowcach, lojalnych skrzydłowych, systemach rozpoznania, autonomicznych robotach obsługujących lotniska, małych satelitach i wyspecjalizowanych pojazdach. Taki świat nie zniesie materiałów, które są świetne tylko wtedy, gdy produkuje się je powoli, drogo i z ogromnym udziałem pracy ręcznej.
Właśnie tutaj pojawia się ten najbardziej futurystyczny wątek. Przyszłość lotnictwa może nie wyglądać wyłącznie jak większa prędkość i lepsza aerodynamika. Może wyglądać jak przejście od rzemieślniczego, kosztownego formowania części do bardziej skalowalnych procesów, w których zaawansowany materiał da się przetwarzać szybciej, taniej i w większej liczbie wariantów. GX-F wpisuje się w ten kierunek, choć na razie robi to jako obietnica zabezpieczana patentowo, a nie jako gotowy standard przemysłowy. Patent to przecież dopiero początek.
Źródła: Carbon Fiber Max
