Ερευνητές στο Εθνικό Εργαστήριο Oak Ridge (ORNL) του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ δημιούργησαν νέο κράμα του μετάλλου το οποίο μπορεί να το μετατρέψει σε αξιόπιστη πηγή υλικού για την κατασκευή δομικών εξαρτημάτων
Την επόμενη δεκαετία, αναμένεται μεγάλη ποσότητα αλουμινίου από τα πάνελ του αμαξώματος των οχημάτων να εισέλθει σε συστήματα ανακύκλωσης και διάσωσης.
Μεγάλο μέρος αυτού του υλικού δεν μπορεί προς το παρόν να επαναχρησιμοποιηθεί σε κρίσιμα εξαρτήματα αυτοκινήτων, επειδή η μόλυνση το καθιστά πολύ ακάθαρτο. Αυτός ο περιορισμός έχει μειώσει την αξία του.
Ερευνητές στο Εθνικό Εργαστήριο Oak Ridge (ORNL) του Υπουργείου Ενέργειας (DOE) εργάζονται για να το αλλάξουν αυτό.
Η ομάδα δημιούργησε ένα νέο κράμα αλουμινίου που ονομάζεται RidgeAlloy το οποίο μπορεί να μετατρέψει το ανακυκλωμένο αλουμίνιο χαμηλής αξίας σε αξιόπιστη πηγή υλικού για την κατασκευή δομικών εξαρτημάτων αυτοκινήτων στις Ηνωμένες Πολιτείες.
Το αλουμίνιο εμφανίζεται στη λίστα κρίσιμων υλικών του DOE επειδή παίζει σημαντικό ρόλο σε πολλές ενεργειακές τεχνολογίες.
Κατασκευή του RidgeAlloy
Το RidgeAlloy κατασκευάζεται με την επανατήξη αλουμινίου που ανακτάται από χρησιμοποιημένα προϊόντα και την αναχύτευσή του σε ένα νέο κράμα που έχει σχεδιαστεί για να πληροί τις απαιτήσεις αντοχής, ολκιμότητας και ασφάλειας κατά των συγκρούσεων των δομικών εξαρτημάτων των οχημάτων. Οι ερευνητές του ORNL ανέπτυξαν μια στοχευμένη προσέγγιση σχεδιασμού κραμάτων που επιταχύνει την ανάπτυξη νέων υλικών.
«Η ομάδα προχώρησε από μια ιδέα σε χαρτί σε μια επιτυχημένη, πλήρους κλίμακας επίδειξη ενός νέου κράματος σε μόλις 15 μήνες. Αυτός είναι ένας πρωτοφανής ρυθμός καινοτομίας στην ανάπτυξη σύνθετων δομικών κραμάτων», δήλωσε ο Allen Haynes (Διευθυντής του Προγράμματος Ελαφρών Μετάλλων του ORNL).
Η αυξανόμενη πρόκληση του ανακυκλωμένου αλουμινίου αυτοκινήτων
Οχήματα που βασίζονται σε μεγάλο βαθμό στο αλουμίνιο άρχισαν να εμφανίζονται στην αγορά των ΗΠΑ γύρω στο 2015, συμπεριλαμβανομένης της σειράς φορτηγών Ford F-150, ενός από τα πρώτα μοντέλα εντατικής χρήσης αλουμινίου που παρήχθησαν σε μεγάλη κλίμακα.
Πολλά από αυτά τα οχήματα αναμένεται να φτάσουν στο τέλος της ωφέλιμης ζωής τους στις αρχές της δεκαετίας του 2030.
Όταν συμβεί αυτό, τα συστήματα ανακύκλωσης θα μπορούσαν να λαμβάνουν έως και 350.000 τόνους θραυσμάτων φύλλων αμαξώματος αλουμινίου κάθε χρόνο στη Βόρεια Αμερική.
Ένα μεγάλο μέρος αυτού του υλικού μπορεί να καταλήξει να χρησιμοποιείται σε προϊόντα χύτευσης χαμηλότερης αξίας ή να εξάγεται στο εξωτερικό.
«Μπορείτε να επαναχρησιμοποιήσετε το αλουμίνιο μετά την κατανάλωση σε κάτι μη δομικό, όπως τα μπλοκ κινητήρα Αλλά δεν θα έχει τις ιδιότητες που απαιτούνται για εφαρμογές αμαξώματος υψηλότερης αξίας και δομικά ορθής κατασκευής», δήλωσε ο Alex Plotkowski (επικεφαλής της ομάδας ORNL για την Υπολογιστική Συζευγμένη Φυσική).
Πρόκληση μόλυνσης
Η κύρια πρόκληση προέρχεται από τη μόλυνση που εισάγεται κατά τη διαδικασία τεμαχισμού του οχήματος. Μικρές ποσότητες σιδήρου από εξαρτήματα όπως πριτσίνια και άλλα συνδετικά στοιχεία αναμειγνύονται με το ανακυκλωμένο μέταλλο. Αυτές οι ακαθαρσίες καθιστούν τη χημική σύνθεση απρόβλεπτη και μειώνουν την απόδοση, γεγονός που εμποδίζει το υλικό να πληροί τα αυστηρά πρότυπα που απαιτούνται για τα δομικά κράματα αυτοκινήτων.
Εξαιτίας αυτού, τα περισσότερα ελαφριά εξαρτήματα οχημάτων εξακολουθούν να κατασκευάζονται από πρωτογενές αλουμίνιο που παράγεται από εξορυσσόμενο μετάλλευμα. Αυτή η διαδικασία απαιτεί σημαντικές ποσότητες ενέργειας.
Μετατροπή του πεταμένου αλουμινίου σε ντόπιο πόρο
Παρόλο που οι Ηνωμένες Πολιτείες εισάγουν το μεγαλύτερο μέρος του πρωτογενούς αλουμινίου τους, η χώρα διαθέτει ένα καλά ανεπτυγμένο δίκτυο για τον τεμαχισμό οχημάτων και την ανάκτηση απορριμμάτων αλουμινίου.
Για να δημιουργήσουν το RidgeAlloy, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν προηγμένα επιστημονικά εργαλεία για να σχεδιάσουν τη σύνθεση του κράματος.
Χρησιμοποιήθηκαν υπολογισμοί υψηλής απόδοσης για την εκτέλεση περισσότερων από δύο εκατομμυρίων υπολογισμών που προέβλεπαν ποιοι συνδυασμοί στοιχείων θα παρείχαν τις επιθυμητές μηχανικές ιδιότητες. Η ομάδα διεξήγαγε επίσης λεπτομερή ανάλυση υλικών και πειράματα περίθλασης νετρονίων στην Πηγή Νετρονίων Spallation του ORNL, μια εγκατάσταση χρηστών του Γραφείου Επιστημών του Υπουργείου Ενέργειας.
Αυτά τα πειράματα βοήθησαν τους επιστήμονες να κατανοήσουν πώς διαφορετικές ακαθαρσίες επηρεάζουν την απόδοση του κράματος.
Τα νετρόνια είναι ιδιαίτερα χρήσιμα για τη μελέτη μετάλλων επειδή μπορούν να διέρχονται από πυκνά υλικά χωρίς να προκαλούν ζημιές, επιτρέποντας στους ερευνητές να παρατηρούν εσωτερικές δομές και αλλαγές σε ατομική κλίμακα.
Από υπολογιστικά μοντέλα σε πραγματικά ανταλλακτικά αυτοκινήτων
Αφού εντόπισαν τον βέλτιστο τύπο κράματος μέσω προσομοιώσεων και εργαστηριακών δοκιμών, οι ερευνητές αξιολόγησαν το RidgeAlloy υπό πραγματικές συνθήκες κατασκευής.
Οι δοκιμές επιβεβαίωσαν ότι το RidgeAlloy περιέχει τον συνδυασμό αλουμινίου, μαγνησίου, πυριτίου, σιδήρου και μαγγανίου που απαιτείται για χυτά δομικών οχημάτων, ακόμη και όταν το ανακυκλωμένο μέταλλο περιλαμβάνει υψηλότερα επίπεδα σιδήρου και πυριτίου. Το υλικό παρέχει την αντοχή, την αντοχή στη διάβρωση και την ολκιμότητα που απαιτούνται για απαιτητικές εφαρμογές όπως το κάτω μέρος των οχημάτων, τα στοιχεία πλαισίου και άλλα βασικά δομικά μέρη.
Αυτή η δυνατότητα θα μπορούσε να αλλάξει σημαντικά τον τρόπο με τον οποίο τα απορρίμματα αλουμινίου αυτοκινήτων ταξινομούνται, αποτιμώνται και επαναχρησιμοποιούνται σε όλη τη Βόρεια Αμερική.
Επέκταση του αντίκτυπου πέρα από το εργαστήριο
Μέχρι τις αρχές της δεκαετίας του 2030, το RidgeAlloy θα μπορούσε να επιτρέψει την κατασκευή ανακυκλωμένων χυτών αλουμινίου δομικών δομών σε όγκους ίσους με τουλάχιστον το ήμισυ της τρέχουσας ετήσιας παραγωγής πρωτογενούς αλουμινίου στις Ηνωμένες Πολιτείες. Αυτή η μετατόπιση θα μπορούσε να μειώσει την κατανάλωση ενέργειας, το κόστος κατασκευής και να ενισχύσει τις εγχώριες αλυσίδες εφοδιασμού.
Η τεχνολογία μπορεί επίσης να βρει χρήσεις πέρα από τα επιβατικά οχήματα. Πιθανές εφαρμογές περιλαμβάνουν βιομηχανικό εξοπλισμό, γεωργικά μηχανήματα, αεροδιαστημικά συστήματα, κινητό εξοπλισμό παραγωγής ενέργειας, οχήματα εκτός δρόμου όπως χιονοκίνητα και μοτοσικλέτες, και θαλάσσια οχήματα, συμπεριλαμβανομένων των τζετ σκι.
www.worldenergynews.gr
