Automobilky si žádají nanotechnologie

Je nepopiratelné, že automobilky ve východoasijských zemích přicházejí na světové trhy s lacinějšími a v některých případech dokonce i stejně kvalitními modely v porovnání s americkými či evropskými vozy. Jako typický příklad se nejčastěji uvádí univerzální automobil s názvem Nano, který byl představen na autosalonu v Dillí v lednu 2008. Původně se prodával v základní verzi za 100 tisíc rupií, tj. asi 45 000 korun, postupně se dále zdokonaloval a jeho cena mírně rostla. V současné době lze vybírat ze tří verzí: Standard za (v přepočtu) 51 tisíc korun, CX za zhruba 62 tisíc a LX verze za cca 72 tisíc korun. Další vývoj situace naznačuje, že tento trend bude zřejmě i nadále pokračovat – převládat budou levná a jednoduchá auta pro rychlé a bezpečné použití. Tradiční vozy se budou nejspíš postupně stěhovat do ateliérů sběratelů a do vybraných závodních stájí. Pokles výroby a prodejů osobních automobilů je patrný u nás i v celé Evropské unii. Podle údajů Českého statistického úřadu bylo vyrobeno za 1. čtvrtletí 2013 celkem 286 752 ks motorových vozidel, což oproti stejnému období roku 2012 představuje v souhrnu pokles výroby o 18,16 %. K poklesu produkce mezi roky 2013 a 2012 došlo u všech tří automobilek (Škoda Auto, HMMC Nošovice a TPCA Kolín). Jejich podíly na celkové produkci se však oproti konci roku 2012 změnily jen nepatrně. Podíl Škoda Auto na celkové výrobě osobních automobilů v ČR činí 54,80 % (za rok 2012 to bylo 55,89 %), u HMMC Nošovice je to 26,62 % (za minulý rok 25,81 %) a podíl TPCA Kolín činí 18,58 % (vloni 18,30 %).

Preference materiálů na bázi železa, vysokopevnostní oceli, hliníku a nejrůznějších hořčíkových slitin ustupuje do pozadí. Hledají se nové možnosti kompozitů, high-tech materiálů a nanotechnologií. Do skupiny s názvem nové materiály jsou nejčastěji řazeny kovy, keramika a polymery; nezanedbatelnou skupinou jsou slitiny titanu – obzvláště slitiny s tvarovou pamětí (tzv. shape-memory alloy). Je nepopiratelné, že v oblasti automobilového průmyslu výraznou měrou ovlivňují spotřebu pohonných hmot, vedou ke snižování hmotnosti vozů, mohou zvýšit jejich bezpečnost a jsou celkově odolné vůči opotřebení. Velkým přínosem je bezesporu i rychle se rozvíjející obor nanotechnologií a nanomateriálů.

Zástupci Ústavu pro nanomateriály, pokročilé technologie a inovace při Technické univerzitě v Liberci hovoří o daleko širší škále možností, než je výše popsáno, a nabízejí nekonečnou inspiraci v přírodě. Ing. Dora Kroisová, Ph.D., popisuje tuto škálu ve své přednášce o bionice, vědě, která uplatňuje poznatky ze studia živých organismů a jejich struktur při vývoji nových technologií. Prof. Ing. Petr Louda, CSc., pak vyjmenovává možné budoucí uplatnění nanotechnologií v automobilovém průmyslu a odkazuje přitom na obrázek ze zahraničních zdrojů (viz Foto 1). Z obrázku je patrné, že nanomateriály zde sehrávají opravdu klíčovou úlohu. Jako příklad uveďme alespoň povlaky a laky, nanokatalyzátory, nanodisperze a nanoaditiva v lubrikantech, pohonných hmotách a chladicích kapalinách. Nezanedbatelnou skupinou jsou také nanočástice kovů či speciální nanometrické fólie.

Není to ale všechno zatím jenom fantazie? Které aplikace se jeví v současné době jako nejslibnější? Z tisíce různých pohledů na věc nakonec vybíráme a citujeme s profesorem Loudou oficiální zdroj, projekt několika českých univerzit spolufinancovaný Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem z let 2009–2011. Ten shrnuje aplikace do osmi bodů – velkou naději vidí zvláště:

1) v implementaci nových nanomateriálů s definovanou strukturou, například v uhlíkatých nanotrubičkách nebo fullerenech;
2) ve zlepšení mechanických, tepelných a designových vlastností plastů;
3) v nátěrech odolávajících opotřebení a korozi a tvořících permeační bariéry;
4) v chladicích kapalinách s lepšími tepelněizolačními vlastnostmi;
5) v kovových slitinách s vyšší mechanickou pevností;
6) pájecích materiálech s dobrou odolností nebo nižší teplotou zpracování;
7) v bateriích pro vozidla na elektrický pohon a palivových článcích s vylepšenou energetickou kapacitou;
8) v automobilových senzorech s nanosnímacími prvky, nanostrojích aj.

Samostatnou kapitolu nových materiálů pro automobilový průmysl tvoří nanokompozity. Materiály ze dvou nebo více různých složek, jejichž vlastnosti se odvíjejí od velikosti částic, a jejich morfologie a uspořádání mají velmi široké použití a jsou dalším nevyčerpatelným zdrojem inspirace. V automobilovém průmyslu je dělíme (dle výše zmíněného oficiálního dokumentu) do tří základních skupin:

1) kompozitní materiály vyztužované nanoplnivy (často minerálními nanoplnivy) s využitím pro konstrukční díly;
2) kompozitní materiály vyztužované přírodními vlákny (často lněná vlákna) pro vnitřní aplikace;
3) kompozitní materiály vyztužované uhlíkatými vlákny a uhlíkatými nanotrubičkami, využívané pro strukturní části (podlahových karoserií, příčných nosníků, surových karoserií, otvorů apod.).

Nejčastější skupinou jsou podle slov zástupců Ústavu pro nanomateriály, pokročilé technologie a inovace Technické univerzity Liberec nanokompozitní materiály s polymerními matricemi. Patří sem například kaučukové nebo polymerní nanokompozity. Automobilový průmysl ověřuje jejich možnosti již dlouho a konstruktéři uvažují o výrobě dílů, kde je třeba malé hmotnosti a velké pevnosti či mechanické odolnosti. Unikátní vlastnosti nanokompozitů jsou využívány i v oblasti nátěrových hmot a povrchových úprav. Zejména pro svoji silnou hydrofobnost či antibakteriální účinky, případně pro schopnost rozkládat nečistoty. Nanomateriály jsou schopny za určitých podmínek regenerovat či „opravit“ samy sebe, případně jinou látku a velmi často se s tímto účelem pojí právě polymery. V laboratořích je možné vidět ale i nanočásticové vyztužené polymery pro kryt rozvodového řemenu, nízkohmotnostní strukturní kompozity, nanoocel, nanohliník, samočisticí povlaky odolné proti poškrábání, uhlíkové nanotrubičky pro uchování vodíku, elektricky vodivé polymery (nanotrubičky) a mnoho dalších příkladů.

Konkrétně v Liberci se pyšní například vakuovými komorovými plazmovými pecemi pro nanášení tenkých vrstev. Komory využívají plazmochemické modifikace a depozice velmi tenkých povlaků. Toto zařízení patří k nejmodernějším svého druhu, v České republice je zatím žádné pracoviště nevlastní. Podle odborného výkladu je vakuová komorová plazmová pec výjimečná v tom, že dokáže při povlakování snoubit chemický a fyzikální proces, při němž lze vytvořit velmi tenké vrstvy na bázi uhlíku nebo vrstvy ze sloučenin oxidů, karbidů či nitridů kovů a dalších látek. Takovéto vrstvy o tloušťce 100 až 200 nanometrů jsou pak dokonale průhledné a mají mechanické vlastnosti keramiky. Vrstvy mohou být použitelné ve strojírenství, automobilovém průmyslu, jaderné energetice i medicíně. Tenké otěruvzdorné vrstvy například eliminují účinky tření pístových kroužků motoru při tzv. suchém startu. Po ošetření pístového kroužku tenkou vrstvou dojde podle slov libereckých vědců k zefektivnění a zlevnění provozu automobilů. Tenké povlaky najdou zcela jistě uplatnění také na různých površích řezných nástrojů, v energetice se mohou nanášet na lopatky turbín, uplatní se v lékařství na implantáty či chirurgické nástroje. Z dalšího vybavení libereckých laboratoří pak jistě překvapí i unikátní elektronový mikroskop s rozlišovací schopností jednoho nanometru nebo subtilní 3D tiskárna, která během několika minut dokáže podle návrhu vyrobit třeba pohyblivý prototyp převodovky. Za zmínku stojí i veřejně známá unikátní technologie Nanospider od společnosti Elmarco, která podle slov obsluhy splňuje všechny požadavky na výrobu vysoce kvalitních nanovláken k všestrannému použití. „Chceme, aby se vytvořila síť výzkumných pracovišť za účelem vzájemného využívání laboratoří i drahých přístrojů. Kvalitní nanovlákna nám jistě pomohou, jejich síť je velmi inspirativní...,“ dodává s humorem (při skládání textilií) profesor Petr Louda (viz obrázek).

V úvodu zmíněný nový trend levných a jednoduchých vozidel pro rychlé a bezpečné použití potvrzují nepřímo i liberečtí výzkumníci. Spolupracují s firmou Škoda Auto a samostatná laboratoř se zabývá především výzkumem a vývojem ekologických pohonných jednotek. Sledují nové hybridní systémy pohonu, které musejí splňovat limity emisí EU 6 a limity pro skleníkové plyny. Důraz je kladen hlavně na použití nových druhů paliv z obnovitelných zdrojů. Spolupráce výzkumných pracovišť ústavu umožňuje kombinaci všech alternativ úspor (včetně nových materiálů) pro automobilový průmysl. Asijskou cestou, stejně jako řada jiných světových automobilek, ale nepůjdou. Inovace se budou vždy ubírat trochu jiným směrem. Nejlevnější auta světa jsou určena spíše pro přelidněné indické ulice (někdy mají dokonce podobu jakési rikši) a určitě nedosahují takových parametrů jako auta evropská či americká.

Před více než rokem se ke zmíněnému automobilu Nano (titul nejlevnějšího vozu mu vydržel necelé tři roky) přiřadil další model indické automobilky Bajaj Auto s označením RE60. Podle zveřejněných údajů se jedná o miniaturní čtyřmístné „vozítko“ s maximální rychlostí 70 km/h s pohonem na benzin, plyn (LPG) či stlačený zemní plyn (CNG). Auto je poháněno motorem s objemem 200 ccm s výkonem 20 koní a váží pouhých 400 kilogramů. Rozměry miniauta činí: délka 2 752 mm, šířka 1 312 mm, výška 1 650 mm. Úchvatná je rovněž udávaná spotřeba: 2,9 l/100 km. Sami výrobci ovšem přiznávají, že se jedná o „specifický minimalismus“ a auto je určeno především pro bezpečný pohyb po rušných velkoměstech. Společnost Bajaj Auto je totiž celosvětově největším výrobcem tříkolových dopravních prostředků, motorových rikš.

Vlastimil Růžička

vlastimil.ruzicka@mmspektrum.com

Foto autor, archiv firem, TUL