Nanoteknologi skal gi grønnere biler
Innsyn i det hemmelige livet til nanopartikler skal gjøre lette kjøretøy enda mer klimavennlige.
Sjansen er stor for at bilen din har et støtfangersystem av aluminium. I tillegg lager de fleste bilprodusentene mer og mer av karosseriet i dette lettmetallet. Begge deler nettopp for at kjøretøyet skal bli lettere og dermed også mer gjerrig på drivstoff..
Rundt deg i bilen har du dermed myriader av aluminiumatomer som er blitt til metall i et aluminiumverk. Her har disse smårollingene møtt en gruppe søskenbarn. I hovedsak atomer av silisium og magnesium, som verket tilsetter metallet.
Slik ser det ut når forsker Qiang Du bruker matematikk til å simulere hva som skjer på nanonivå i en aluminiumlegering som varmebehandles. “Lyspunktene” som pila peker mot, er gryende partikler. Firkanten nederst i venstre hjørne angir målestokken (0,5 nanometer er 0,0000005 millimeter). Foto: SINTEF
Om produsentene får se hvordan “familieforholdene” blir i dette nanouniverset mens det tar form, kan delene trolig lages mer effektivt og med lavere energiforbruk.
Et slikt innsyn er SINTEF-forsker Qiang Du og flere andre eksperter rundt om i verden nå ute etter å gi industrien.
Gjenskaper en nanoverden
Silisium og magnesium er legeringselementer som aluminiumverket tilsetter for å gi metallet tilstrekkelig styrke og formbarhet pluss gode kollisjons- og overflateegenskaper.
I aluminiumet danner fremmedatomene nanopartikler (se faktarute).
Varmebehandlingen metallet får når det formes, avgjør hvor små fnuggene blir og hvordan de fordeles i materialet. Dette indre puslespillet bestemmer i sin tur egenskapene til bildelen.
Ser inn i “krystallkule”
I Trondheim er forsker Qiang Du i gang med å utvikle en matematisk modell (se faktarute) – eller om du vil; ei slags “krystallkule”.
Nanopartikler
- Betegnelse på partiker som måles i nanometer, dvs. milliontedels millimeter.
- I bildeler av aluminium danner legeringsmetallet partikler som måler fra 10 til 100 nanometer.
- Langs en linje på 1 millimeter, ville det dermed blitt plass til mellom 10 000 og 100 000 slike partikler.
- Oppvarming og avkjøling som inngår i formingsprosessene, avgjør hvordan partikkeldannelsen blir i bildeler av aluminium.
- Aluminium- og bilindustrien har for lengst klart å ende opp med partikler som sprer seg godt utover i metallet og i tillegg blir små og nokså like i størrelse. Dette er viktig både for styrken og overflateegenskapene til bildelene. SINTEF-prosjekt skal bidra til at disse kvalitetene i framtida kan oppnås med lavere energi- og tidsforbruk enn i dag.
Den skal forutsi hvordan partikkeldannelsen i aluminiumprodukter blir, alt etter hvor lenge og intenst de varmebehandles.
Bakteppet for arbeidet hans er en utbredt teori om at det går an å bruke mindre energi til å varme opp og kjøle ned metallet – og likevel ende opp med samme materialkvalitet som i dag.
Grønnere livssyklus
Prosjektet startet i 2015 og skal pågå ut 2017.
Forskningsleder Trond Furu i Hydro har vært med på å gi SINTEF penger til denne forskningen på vegne av Norsk Hydros Fond for SINTEF. Han opplyser at det er stor interesse for denne typen datamodeller både i lettmetall- og bilindustrien. Furu forklarer at slike verktøy er under utvikling både i Hydro og andre steder, og at disse trolig vil gi både økonomiske og grønne gevinster.
– Lette bildeler bidrar i utgangspunktet til å redusere utslippet av klimagasser fra biler. Vi antar at de kommende datamodellene vil gjøre det mulig å minske energiforbruket som går med til å produsere delene, i tillegg til å redusere produksjonstida. Går alt som vi tror, vil slike dataverktøy dermed redusere karbonfotavtrykket til lette bildeler ytterligere, sier Furu.
Resirkulert materiale neste?
Norsk Hydros Fond for SINTEF
- Fondets formål er å støtte virksomhet ved SINTEF som vil bidra til oppbygging og vedlikehold av kompetanse
- Fondet er opprettet av Hydro for å gi SINTEF økte muligheter til å bygge opp aluminiumkompetanse på områder som er viktige for industrien.
- Forskningsresultatene som produseres for midler fra fondet, er disponible for all industri.
Både SINTEF-forsker Qiang Du og Hydros Trond Furu har tro på at pålitelige datamodeller som kan forutsi partikkeldannelsen i aluminiumlegeringer, også vil åpne for mer bruk av resirkulert aluminium i bildeler.
– Resirkulering av aluminium krever bare prosent fem prosent av energien som trengs til å lage ny aluminium gjennom primærproduksjons-ruten. Kan de kommende datamodellene forutsi at legeringer basert på resirkulert aluminium er gode nok til å bli brukt i biler, ja da vil modellene tilføre verden en betydelig grønn gevinst, sier Trond Furu.
Slik lages den matematiske modellen
- En matematisk modell beskriver virkeligheten ved hjelp av likninger.
- Viktig input i SINTEFs modell av nanounivers i lettmetallers indre, kommer fra aluminiumstudier som SINTEF, NTNU og andre forskningsmiljøer har utført ved hjelp av avanserte elektronmikroskop.
- Mikroskopbildene beskriver nanouniverset i aluminiumlegeringer etter at disse har gjennomgått varmebehandling av ulik lengde og intensitet.
- Den ferdige modellen vil bygge på beregninger som tilsier hvordan partiklene påvirkes i tidsrommene og temperaturintervallene som ligger mellom disse "øyeblikksbildene".
