Перед вами четвертый текст нашего производственного цикла переводных статей.
то настолько маленький предмет, что вы можете удержать его в своей руке, и он выглядит как непримечательный кусочек металла, с небольшими просверленными отверстиями, но его ужасно сложно изготовить. Это так сложно, потому что он должен вращаться со скоростью 12 000 оборотов в минуту, при высоком давлении и температуре в 1600 °C, что на 200°C выше температуры плавления материала, из которого изготовлен предмет. И он должен пережить ад скручивания достаточно долго для того, чтобы помочь авиалайнеру пролететь 24 миллиона километров, до того момента, как эту деталь нужно будет заменить. Всего 66 таких коротких лопастей используются в задней турбине двигателя Rolls-Royce Trent 1000, и британская компания зарабатывает сотни тысячи долларов в год на этих лопастях.
Американские и европейские компании ищут спасения в высококачественном производстве, атакуя недорогих производителей. Это предполагает всё увеличивающуюся изобретательность при работе с материалами. В этой статье будет рассмотрен ряд таких инноваций, как специальная литейная система для турбинных лопаток Rolls-Royce, а также использование углеродного волокна, переработанных отходов пластика, новые аккумуляторные технологии и многое другое.
Турбинные лопатки являются одной из ключевых технологий Rolls-Royce. Магия, которая создаёт их, зависит от глубокого понимания материаловедения и производственных технологий. Когда металлы застывают после литья, они обычно содержат большое количество микроскопических кристаллов. Это делает их достаточно прочными для большинства ситуаций, но это — потенциальный недостаток при их использовании в турбинных лопатках. Rolls-Royce использует уникальную систему, которая отливает лопасть из жаропрочного сплава, основанном на никеле, со сплошной и неразрушенной кристаллической системой. Это гарантирует, что здесь не будет дефектов структуры.
Воздух циркулирует через вертикальную ось лопастей туда и обратно через точно расположенные отверстия, изготовленные с помощью специального электронного процесса, потому что обычная дрель не будет достаточно аккуратной для этого. Эти отверстия создают плёнку воздуха, которая обтекает поверхность, для того, чтобы уберечь лопасти от расплавления. Лопасти также покрыты жаростойким керамическим покрытием. Создатели не останавливаются ни перед чем, так как устойчивые и жаростойкие лопасти позволяют реактивному двигателю работать при более высоких температурах, что улучшает сгорание и уменьшает потребление топлива.
Не сидите просто так, изобретите что-нибудь
Новая фабрика в Дерби, где Rolls-Royce изготавливает турбинные лопатки, тоже весьма необычна. Дизайнеры, инженеры и производственный персонал поселились под одной крышей, вместо того, чтобы сидеть в разных зданиях или даже разных странах. Их собрали вместе, так как Rolls-Royce считает, что такая близость приведёт к лучшему пониманию роли каждого и к большей изобретательности. «Это будет критически важным в грядущие годы» — говорит Хамид Мугхал, глава инженерно-производственного отдела. «Технология изготовления товара — это ключ к выживанию, и преимущество в производстве предоставляет одну из величайших возможностей для будущего». Это сочетание, как считает Мугхал, единственный способ продолжить делать прорывы: «Дополнительный рост не поможет этому.»
Примерно так же думают и в GE. Компания тоже изготавливает реактивные двигатели, и занимается такими направлениями, как энергетика, освещение, железные дороги и здравоохранение. «В течение ряда лет стало ясно, что нам нужно объединить исследование материалов и производственные технологии» — говорит Идельчик, глава исследовательского отдела. Новые товары привыкли создавать, начиная с дизайна, затем двигаясь к выбору материалов, а затем к производству. «Теперь это делается одновременно».
Одним из результатов таких попыток является новый промышленный аккумулятор. Его появление началось с исследования, в котором аккумулятор пытались сделать достаточно прочным для того, чтобы использовать его в гибридном локомотиве. Химический состав, основанный на никеле и соли, предоставил необходимое количество запасённой энергии на единицу веса и необходимую надёжность. Но всё же, заставить его работать в лаборатории — это одно дело, а извлечение прибыли из сложных процессов, связанных с массовым производством аккумуляторов — совсем другое. Поэтому GE создало опытное производство, чтобы изучить, как использовать эти многообещающие идеи на деле, до того, как построить фабрику. Какие-то идеи взлетают на этом этапе, какие-то — нет.
Этот аккумулятор «взлетел». Помимо гибридных поездов, он также подходит для других гибридных устройств, таких, как автопогрузчики, и может использоваться как резервный источник электропитания в таких областях, как дата-центры и вышки связи в удалённых районах. Он будет изготовлен на новом заводе стоимостью в 100 миллионов долларов, около Нискияны, так что исследователям будет удобно продолжить разработку. Сам аккумулятор состоит из набора стандартных ячеек, объединяющихся в модули, которые могут быть соединены вместе для различного применения. «Модули занимают половину места от эквивалентного свинцово-кислотного аккумулятора, и только четверть по весу, и будут работать в течение 20 лет без обслуживания, а также работать в условиях замораживания или очень высоких температур» — говорит Глен Мерфелд, руководящий системами по хранению энергии в лаборатории GE.
Один из материалов, который особенно интересует GE и других производителей — углеродное волокно. Его уже использовали, чтобы сделать большие лопатки вентиляторов впереди некоторых реактивных двигателей. Углеродное волокно гибкое в необработанном виде, но когда его пропитывают эпоксидной смолой, придают форму и вулканизируют, оно становится прочным, как сталь, но весит в два раза меньше. Эта прочность берёт своё начало из мощных химических связей, которые образуются между атомами углерода. Эти волокна могут быть сориентированы в различных направлениях, что позволяет инженерам точно подгонять прочность и гибкость композитной структуры.
Углеродное волокно начало широко использоваться в аэрокосмической сфере. В самолётах Airbus и Boeing оно широко используется вместо алюминия. Оно не только легче, но и имеет большое преимущество при производстве: большие секции, такие как основная площадь крыла, могут быть изготовлены за один раз, вместо того, чтобы склёпывать их из большого количества отдельных компонентов.
Смотрите, без рук
Прочность, лёгкость и потенциальная экономия на ручном труде, которыми обладает углеродное волокно, делают этот материал привлекательным для многих товаров. Мак Ларен из британской команды Formula 1 (F1) был первым, кто использовал машину F1 с каркасом из углеродного волокна. Джон Уотсон был за её рулём и выиграл Британский Гран-при в Сильверстоуне в 1981 году. Позже, в этом же году, он в эффектной манере продемонстрировал возможности материала выдерживать столкновения, когда выбрался невредимым из происшествия около Монцы. Но создание таких машин, в основном вручную, может занять 3000 человеко-часов.
Теперь требуется лишь четыре часа, чтобы собрать шасси и нижнюю часть кузова MP4-12С, спортивнго автомобиля стоимостью в 275 000 долларов, который в 2011 году запустила McLaren, чтобы соревноваться с основным конкурентом, Ferrari, как на дорогах, так и на треке. MP4-12C сделана в стерильной, как клиника, новой фабрике, построенной рядом с базой McLaren в Уокинге, к западу от Лондона. В конечном итоге компания будет изготавливать ряд дорожных автомобилей с использованием углеродного волокна. Этот процесс пойдёт быстрее благодаря разработке частично автоматизированного метода для сжатия материала в форме и впрыскивании эпоксидной смолы в неё под давлением. Впервые этот метод был разработан совместно с Carbo Tech, австрийской фирмой, специализирующейся на композитных материалах.
Как многие технологии, открытые благодаря автогонкам, углеродное волокно сегодня спускается вниз, от суперкаров к обычным моделям. BMW, например, запускает новую линейку электрических и гибридных моделей, которые используют корпуса из углеродного волокна. Первый небольшой городской электромобиль, BMV i3, будут собирать на новом заводе в Лейпциге со следующего года. Машина из углеродного волокна, будучи более лёгкой, чем тяжёлая стальная, выжмет больший пробег из заряда своего аккумулятора. Она может даже оказаться прочнее в краш-тестах.
Другой удивительно прочный материал может быть изготовлен из того, что люди выкидывают. Артур Хуанг, сооснователь компании Miniwiz Sustainable Energy Development, расположенной в Тайване, получил специальность архитектора в США. Он создаёт строительные материалы из модифицированного мусора. Один из его продуктов, Polli-кирпич, это блок, по форме напоминающий квадратную бутылку, сделанный из переработанного полиэтилена, часто применяющегося в изготовлении контейнеров для еды и питья. Из-за своей формы Polli-кирпичи можно соединять вместе без использования клея, создавая структуры вроде стен. Они, как говорит Хуанг, достаточно прочны, чтобы выстоять перед ураганом, но значительно снижают углеродный отпечаток здания, и в четыре раза дешевле обычных строительных материалов. Более того, так как они полупрозрачные, то в них могут быть вмонтированы светодиоды.
Конкретное преимущество
Другим из материалов Хуанга является натуральное связывающее вещество, извлекаемое из выброшенной рисовой шелухи. Оно также может быть использовано, чтобы помочь в изготовлении бетона. Эта идея не является абсолютно новой; как указывает Хуанг, что-то подобное было добавлено в известковый раствор, использовавшийся для постройки Великой китайской стены. Он думает, что материковый Китай со своим строительным бумом однажды сможет опять стать большим рынком для этого продукта. Похожее вещество может быть извлечёно из ячменной шелухи, остающейся после пивоварения. Хуанг считает, что система будет использоваться местными жителями, чтобы превращать мусор в полезный продукты.
Всё чаще и чаще проектирование продукта будет начинаться с наноуровня. Нанотехнологии часто используются для улучшения некоторых продуктов. Например, диоксид титана использовался для создания самоочищающихся стёкол для зданий. Плёнка толщиной всего лишь в несколько нанометров достаточно тонка, чтобы через неё можно было посмотреть, но, тем не менее, достаточно мощно реагирует на солнечный свет и разлагает органическую грязь. Этот материал также является гидрофильным и использует потоки дождевой воды, чтобы смыть осадок. Pilkington, британская компания, была первой, которая пустила в ход самочищающееся стекло, использовав эту технологию в 2001 году.
Тщательное изучение исследовательских лабораторий в MIT даст нам намного больше примеров будущих продуктов, которые могут использовать наночастицы. Среди таких Крипа Варанаси и его коллеги ищут материалы, обладающие ярковыраженными водоотталкивающими свойствами. «Они могут быть использованы, чтобы сделать супергидрофобное покрытие, которое значительно повысит эффективность и долговечность таких механизмов, как паровые турбины и опреснительные заводы» — говорит Вараниси. Такие покрытия также могут быть применены в существующих паровых турбинах, которые генерируют большую долю электричества, в мировом масштабе. Это может стать крупным бизнесом по модернизации, считает Варанаси.
Природа уже использует материалы с наномасштабной структурой для большей эффективности. Окаменелости, которые привлекли интерес Анжелы Белчер, сформировались примерно 500 миллионов лет назад, когда мягкотелые организмы в море стали использовать минеральные вещества, чтобы отращивать раковины и кости, используя твёрдые материалы. «Эти природные материалы содержат утончённые наноструктуры, например, в радужных раковинах, или морских ушках» — говорит Белчер. Если эти существа имели встроенную в ДНК возможность по созданию таких материалов, то должна быть возможность симулировать её. Это то, чего исследовательская группа в MIT пытается сейчас достигнуть с использованием генной инженерии.
Как бы странно это не казалось, один из проектов Белчер включает в себя использование вирусов для изготовления аккумуляторов. Вирусы — обычно тот вид, который инфицирует бактерии, но безвреден для людей — довольно обычный инструмент в генной инженерии. Для начала, Белчер и её коллеги генетически программируют вирусы на взаимодействие или связывание с материалами, в которых они (Белчер и коллеги — прим. переводчика) заинтересованы. И так как у них нет миллионов лет, чтобы ждать, они используют то, что можно приравнять к высокоскоростному дарвиновскому процессу: сделать миллиард вирусов за раз, выбрать те, которые выглядят обещающе, и повторять процесс, пока они не получат штамм, способный исполнять то, что они хотят.
Команда разработала вирусы, способные создавать элементы аккумулятора, такие, как катод и анод, и использовала их, чтобы сделать небольшие батарейки-пуговицы, подобные использующимся в часах, но процесс обладает потенциалом, который можно масштабировать и дальше. Что делает технологию столь привлекательной, как говорит Белчер, так то, что она дёшева, использует нетоксичные материалы и безвредна для окружающей среды.
Две компании, основанные Белчер, уже делают продукты с вирусами.
Cambrios Technologies изготавливает прозрачное покрытие для сенсорных экранов и Siluria Techologies (Белчер любит называть свои компании по именам геологических периодов) использует вирусы для разработки катализаторов, которые превратят природный газ в нефть и пластик. Также существуют возможные сценарии использования в солнечных батареях, медицинской диагностике и лечении рака. И всё это родилось из идеи, на которую вдохновила морская раковина.
Один из людей в MIT, с которым работает Белчер, Гербранд Цедер, эксперт по аккумуляторам, который чувствует, что должен быть более простой путь, чтобы узнать о материалах, чем обычный тягучий процесс. Информация о десяти разных свойствах материала может быть разбросана в десяти разных местах. Чтобы соединить всё это в одном месте, Цедер и его коллеги, в сотрудничестве с Национальной лабораторией Лоуренса в Беркли в прошлом году запустили бесплатный онлайн-проект, чтобы каталогизировать свойства веществ под названием Materials Project. К марту этого года он содержал данные более чем о 20 000 различных соединений.
Эта база данных разработана для того, чтобы позволить учёным быстро идентифицировать подходящие новые материалы и предсказать, как они будут взаимодействовать. Это обещает ускорить разработку новых материалов на производстве. Некоторым из новых веществ может потребоваться до 10 лет или больше, чтобы достигнуть рынка. «Так как это занимает так много времени, люди осторожно относятся к тому, чтобы инвестировать в это» — говорит Цедер. «И, значит, мы должны сделать процесс быстрым».
