Biologické závodné vozidlá
Ľahšie ako sklenené vlákna, lacnejšie ako uhlíkové vlákna a vyrobené z obnoviteľných surovín: rastlinné vlákna ako výstuž pre termosety sú udržateľnou alternatívou pre karosérie vozidiel, ktoré sú o 60 percent ľahšie ako oceľ, a zároveň robustné. Tím motoršportu testuje na závodnej dráhe biokompozit vyrobený z ľanových vlákien a živice na báze rastlinných olejov s takzvaným bio-Sciroccom. Hip-hopová hviezda Smudo sedí za volantom.
Úspora hmotnosti je v automobilovom priemysle čarovným slovom. Bez ohľadu na to, či ide o nižšiu spotrebu a tým vylepšené hodnoty CO2 pre spaľovacie motory alebo väčšie dojazdy pre elektrické vozidlá. V automobilových pretekoch, kde záleží na stotinách sekundy, sú ľahké karosérie pravidlom už celé desaťročia. V minulosti sa na to pôvodne používali ľahké kovy. Už niekoľko rokov sa namiesto nich používajú uhlíkové vlákna. Aj keď majú vysoko technologický imidž, sú drahé a zvyčajne pozostávajú z fosílnych surovín.
Podstatne lacnejšie - ale aj ťažšie - sú sklenené vlákna. Alternatívou sú prírodné vlákna. Vážia menej ako sklenené vlákno a stoja zlomok uhlíkových vlákien. „Preto podporujeme ďalší vývoj a testovanie plastov vystužených prírodnými vláknami v konštrukcii vozidiel,“ vysvetľuje Dr. Andreas Schütte, výkonný riaditeľ Agentúry pre obnoviteľné suroviny (FNR), Gülzow-Prüzen. A tam, kde má ľahká konštrukcia svoje korene: v pretekoch. Z poverenia Federálneho ministerstva pre výživu a poľnohospodárstvo (BMEL) podporuje FNR projekt Bioconcept-Car závodného tímu Four Motors, ktorý sa špecializuje na udržateľnú mobilitu. Významným jazdcom modelu Bio-Scirocco 2.0 TDI je Smudo, frontman skupiny „Die Fantastischen Vier“. S hudbou Four Motors je hudobník od roku 2003 jedným zo zelených priekopníkov závodenia. Štartuje s Bio-Rocco v pretekoch vytrvalostných majstrovstiev VLN a v pretekoch ADAC 24h na Nordschleife Nürburgringu.
„Projekt je navrhnutý tak, aby vedomosti získané v extrémnych podmienkach pretekania mali priamy význam pre automobilový priemysel,“ vysvetľuje Schütte. Okrem biopolymérov pre trojrozmerné komponenty používajú inžinieri po prvý raz ploché duroméry vystužené prírodnými vláknami. Za výber a vývoj materiálu pre Bioconcept-Car zodpovedá Prof. Dr. Hans-Josef Endres z Ústavu pre bioplasty a biokompozity (IfBB) na univerzite v Hannoveri. Zvláštnou atrakciou pre neho je testovanie biologických zložiek nielen v laboratóriu, ale aj v závodoch: „Kolísanie teploty, tlakové zaťaženie, štiepky, vlhkosť, vibrácie, zrážky - také podmienky nie je možné v laboratóriu simulovať na sto percent,“ vysvetľuje Endres.
Biokompozit vyrobený z ľanu a rastlinného oleja
Zjednodušene povedané, časti tela pozostávajú z textilných rohoží, ktoré vedci umiestnia do formy a nasiaknu živicou, ktorá potom tvrdne. Po prvých pokusoch s konopnou ľanovou látkou sa inžinieri materiálov z Hannoveru rozhodli pre čistú ľanovú látku. Ľanové vlákna sú ťahové, dostupné, veľmi jemné, homogénne, pružné a splývavé, čo znamená, že sa dobre prispôsobia tvarovaným častiam. Tak vzniknú presné hrany, ktoré hrajú dôležitú úlohu v rozmerovej presnosti a kvalite spracovania komponentov. „Experimentovali sme tiež s rôznymi technikami tkania, aby sme zlepšili splývateľnosť tkanín z prírodných vlákien a zároveň dosiahli optimálnu plošnú hmotnosť v pomere k nosnosti,“ vysvetľuje Endres.
Riadené vytvrdzovanie živice v peci je dôležité pre stabilitu kompozitov z prírodných vlákien. Chemická reakcia musí byť úplne dokončená. V opačnom prípade by sa proces znova spustil neskôr, napríklad teplom z motora alebo slnečným žiarením, a časti tela by sa zdeformovali. V závislosti od použitého komponentu a použitej živice trvá vytvrdenie v rúre niekoľko hodín.
Pretože Bioconcept-Car štartuje na pretekoch VLN počas fázy projektu, tím Endres postupoval krok za krokom a pôvodne vyvinul praktickú tkaninu vyrobenú z rastlinných vlákien. Vedci ju spracúvajú s petrochemickou živicou, ktorej technické vlastnosti, ako sú zmršťovacie vlastnosti alebo teplota vytvrdzovania, sú známe. Až v ďalšom kroku použijú biogénnu matricu v kombinácii s prírodnými vláknami. „Týmto spôsobom minimalizujeme neporaziteľné dôsledky prvého použitia komponentov a môžeme zaručiť, že komponenty určite vydržia stres z pretekania,“ vysvetľuje Endres. Ako surovina pre vhodnú bio-živicu je možné použiť rôzne rastlinné oleje, ako je ľanový alebo slnečnicový olej, aby sa získali požadované vlastnosti, ako je tvrdosť, viskozita alebo rýchle vytvrdnutie, a ktoré v kombinácii s prírodnými vláknami vedú k požadovaným výsledkom.
„V rámci projektu FNR však nielen sami optimalizujeme komponenty materiálu, ale najskôr tiež použijeme testovacie doštičky na stanovenie optimálneho pomeru vláknina-matrica, napríklad na dosiahnutie stability zameranej na laboratórium s čo najmenšou hmotnosťou,“ vysvetľuje Endres. Tím potom podrobí testovacie panely testom, ako sú skúšky v ťahu, nárazové testy alebo vlastnosti pri náraze, skôr ako použijú materiály na výrobu komponentov pre závod.
Úspešná strava: o 60 percent menej na váhe
Výsledok vývojovej práce: S dverami batožinového priestoru, kapotou a dverami vyrobenými z duromeru vystuženého prírodnými vláknami, váha Bio-Scirocco váži o 67 kg menej ako výrobný model. V porovnaní so zodpovedajúcimi komponentmi vyrobenými z ocele to zodpovedá úspore hmotnosti okolo 60 percent. Niektoré komponenty vážia takmer o 64 percent menej: štandardné dvere vážili 38,5 kg, zatiaľ čo materiál vystužený rastlinnými vláknami vážil 14 kg.
Vďaka nižšej hmotnosti môže Smudo jazdiť s Bio-Sciroccom ešte rýchlejšie. „Keď vezmete do úvahy, že o 100 kg menšia hmotnosť znamená úsporu paliva asi pol litra na 100 km v sériovom vozidle, je zrejmá dôležitosť nášho projektu pre automobilový priemysel,“ vysvetľuje Endres. Je technicky možné hromadne vyrábať termosety vystužené prírodnými vláknami. Na konci projektu preto inžinieri vytvoria katalóg s podrobným zoznamom komponentov, použitých materiálov a výrobných procesov, ako aj odporúčaní na použitie biomateriálov.