कार्बन फाइबर मुख्य रूप से अपने हल्के वजन के लिए उपयोग किया जाता है, और इसकी ताकत और कठोरता के लिए बेशकीमती है। लेकिन जब लीफ एस्प सामग्री को देखता है, तो वह इसे एक तरह से दोहरा कर्तव्य बनाने का अवसर देखता है जो कारों और हवाई जहाज की दक्षता में काफी सुधार कर सकता है।
"बैटरी एक संरचनात्मक परजीवी है, " स्वीडन में चाल्मर्स यूनिवर्सिटी ऑफ टेक्नोलॉजी में इंजीनियर और प्रोफेसर कहते हैं, इसका अर्थ है कि यह कार की शारीरिक शक्ति और संरचना में योगदान किए बिना, वजन और सैप दक्षता को जोड़ता है। लेकिन क्या होगा अगर वाहनों को बैटरी से बनाया गया हो?
यही कारण है कि एस्प वास्तव में इस तकनीक के साथ जा रहा है। वह कारों, विमानों, नावों, यहां तक कि स्मार्टवॉच और अन्य उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स को देखना चाहता है जो एक ऐसी सामग्री से बना है जो शरीर और ऊर्जा स्रोत दोनों के रूप में कार्य करता है - जिसे "संरचनात्मक बैटरी" के रूप में जाना जाता है। संरचनात्मक बैटरी को शामिल करने वाली कार का वजन 50 तक हो सकता है। एक सामान्य ईवी की तुलना में प्रतिशत कम है जिसमें भारी लिथियम आयन बैटरी है, जो इसके नीचे पैक की गई है, एस्प कहते हैं।
यह खबर नहीं है कि कार्बन फाइबर में विद्युत रासायनिक गुण हैं। ग्रेफाइट की तरह, सामग्री कुछ विन्यास में है, जो चालकता में सक्षम है। चाल्मर्स यूनिवर्सिटी ऑफ टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं ने कार्बन फाइबर से बनी बैटरी पर अमेरिकी पेटेंट के लिए आवेदन किया है, लेकिन वास्तव में एक को बाजार में लाने से विचार का अध्ययन करने वाले लोगों की कम संख्या के लिए मुश्किल साबित हुई है। एस्प की टीम के नए शोध ने सामग्री के एक विशेष पहलू की पहचान की है जो संरचनात्मक बैटरी के रूप में इसके संभावित उपयोग को बहुत अधिक यथार्थवादी बनाता है।
कार्बन फाइबर यार्न के एक बोबिन के साथ लीफ एस्प (जोहान बोडेल, चाल्मर्स यूनिवर्सिटी ऑफ टेक्नोलॉजी) सभी कार्बन समान नहीं बनाए गए हैं, हालांकि, और विभिन्न प्रकार के कार्बन में अलग-अलग गुण हैं जो उन्हें अलग-अलग उपयोगों के लिए लागू करते हैं। एस्प का लक्ष्य यह समझना है कि कैसे, और क्यों व्यवहार करता है, और संरचनात्मक अनुप्रयोगों पर लागू होता है।
"कार्बन फाइबर जो बाजार में उपलब्ध हैं, उन्हें संरचनात्मक अनुप्रयोगों के लिए या विद्युत अनुप्रयोगों के लिए बनाया गया है, " वे कहते हैं। संरचनात्मक अनुप्रयोग वे हैं जिनसे हम सबसे अधिक परिचित हैं, कार्बन से जो साइकिल और अन्य मजबूत, हल्के उत्पादों को बनाते हैं, लेकिन विद्युत घटक कभी-कभी सामग्री से बने होते हैं, भले ही वे एक अलग प्रकार के होते हैं। उनका मानना है कि कार्बन है जो दोनों कर सकता है।
अपने नवीनतम शोध में, एस्प और उनके सहयोगियों ने तीन कंपोजिट की तुलना की और इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी और लेजर स्पेक्ट्रोस्कोपी के माध्यम से उनकी जांच की। उन्होंने बैटरी में फाइबर का निर्माण किया, कार्बन परमाणुओं के क्रिस्टल के आकार और अभिविन्यास को एक साथ देखा, और विभिन्न सामग्रियों की कठोरता, शक्ति और विद्युत रासायनिक गुणों की तुलना की। छोटे क्रिस्टल, अधिक अव्यवस्थित संरचना के साथ, अधिक इलेक्ट्रोकेमिकली प्रतिक्रियाशील होते हैं - अर्थात्, वे इलेक्ट्रॉनों को लेने, संग्रहीत करने और जारी करने में अधिक सक्षम होते हैं, और इस प्रकार बैटरी के रूप में कार्य करते हैं। हालांकि, इस प्रकार के कार्बन उन लोगों की तुलना में कम कठोर होते हैं जो लंबे और पंक्तिबद्ध होते हैं। (किसी भी तरह से, वे बहुत छोटे हैं; एस्प की तुलना क्रिस्टल से 18 से 28 एंग्स्ट्रॉम से 100 से 300 एंग्स्ट्रॉम से क्रिस्टल से की जाती है, और एक एंगस्ट्रॉम एक मीटर का दस अरबवां हिस्सा है।)
शोधकर्ताओं की दृष्टि उन वाहनों की है जहां कार के शरीर या हवाई जहाज के धड़ का एक बड़ा हिस्सा संरचनात्मक लिथियम आयन बैटरी से बना होता है। (येन स्ट्रैंडक्विस्ट, चाल्मर्स यूनिवर्सिटी ऑफ टेक्नोलॉजी) कार्बन फाइबर का उपयोग करना जो बेहतर चालकता प्राप्त करने के लिए कुछ कठोरता का त्याग करता है, समस्या नहीं हो सकती है, क्योंकि सामग्री अभी भी स्टील की तुलना में सख्त थी, और एक संरचनात्मक भार ले जाने में सक्षम थी। यह पारंपरिक बैटरी के रूप में भी कुशलता से चार्ज नहीं करेगा, लेकिन फिर, अगर ज्यादातर कार सामान से बनी होती है, तो यह नहीं होगा क्योंकि समग्र दक्षता अभी भी बहुत बढ़ जाएगी। एयरबस जैसे उद्योग भागीदार, जो 2015 से एस्प के साथ काम कर रहे हैं, इसे "मास-कम ऊर्जा भंडारण" के रूप में संदर्भित करते हैं।
फिर भी, यह तकनीक है जो व्यावहारिक होने से एक लंबा रास्ता है - संभावित दशकों, मेलबर्न में आरएमआईटी विश्वविद्यालय में इंजीनियरिंग के स्कूल के कार्यकारी डीन एड्रियन मौरित्ज़ कहते हैं। मोरिट्ज़ कार्बन फाइबर का उपयोग करके संरचनात्मक ऊर्जा भंडारण पर भी काम करता है, लेकिन उसका काम कार्बन के सैंडविच में लिथियम आयन बैटरी एम्बेड करता है, कुछ संरचनात्मक भार को उठाने और बैटरी के मृत वजन को कम करने में मदद करता है, हालांकि बड़े पैमाने पर एस्प के संस्करण के रूप में नहीं।
“हम जिस दृष्टिकोण को ले रहे हैं, वह समग्र सामग्री पहले से ही सिद्ध हो चुकी है, बैटरी पहले से ही सिद्ध है। हम साबित करने की कोशिश कर रहे हैं कि समग्र में बैटरी का एकीकरण है, जो लेने के लिए बहुत छोटा कदम है, ”मौरित्ज़ कहते हैं। “लीफ है… अधिक तकनीकी रूप से जटिल है, लेकिन लंबी अवधि में इसके लाभ मजबूत होने जा रहे हैं। यह अभी भी वास्तविक प्रणाली की सामग्री और डिजाइन का अनुकूलन करने के लिए बहुत अधिक शोध और विकास की आवश्यकता है। "
एस्प और उसकी प्रयोगशाला इसे पहले से ही व्यवहार्य बनाने के लिए काम कर रहे हैं। प्रारंभिक अनुसंधान (2014 और पूर्व) संशोधित कार्बन फाइबर, टुकड़े टुकड़े में बहुलक इलेक्ट्रोलाइट्स का एक म्यान पेश करते हैं जो फाइबर स्टोर और आयनों को अधिक कुशलतापूर्वक जारी करने में मदद करता है, उसी तरह एक लिथियम आयन बैटरी एक हस्तक्षेप इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग करता है।
"इसके लिए उड़ान भरने के लिए, निश्चित रूप से, एक लंबा समय दूर होगा, " एस्प कहते हैं। वह एयरबस के साथ अगले साल रिलीज के लिए एक डेमो का निर्माण करने के लिए काम कर रहा है, जो संरचनात्मक कार्बन फाइबर के साथ आंतरिक रोशनी और केबलों की जगह लेता है। हालांकि अधिक वजन की बचत ईंधन की आवश्यकता को समाप्त करने में हो सकती है, जो मूरिट्ज का कहना है कि एयरलाइन के परिचालन बजट का एक तिहाई या अधिक है, एयरबस डेमो एक उदाहरण होगा कि प्रौद्योगिकी व्यवहार्य है।
मोरिट्ज़ लक्जरी ऑटो और फॉर्मूला 1 रेसकार्स पर पहले लागू होने वाली तकनीक को देखता है, और कीमत में कमी आने और विश्वसनीयता की पुष्टि होने पर उपभोक्ता बाजार में व्यापक रूप से अपनाता है। "यदि आप अपने विमान को हल्का कर सकते हैं, यदि आप अपने ऑटोमोबाइल को हल्का कर सकते हैं, तो इसका वास्तविक शुद्ध लागत बचत करोड़ों डॉलर में नहीं तो सैकड़ों में है, " वे कहते हैं।
"दूसरी बात, निश्चित रूप से, " मोर्टिज़ कहते हैं, "अगर मैं अपने ईंधन को कम कर रहा हूं, तो मैं वास्तव में अपने ग्रीनहाउस उत्सर्जन को कम कर रहा हूं।"
