تحقیق درباره فناوری نانو در خودروسازی

فناوری نانو در خدمت خودرو سازی

اگر شما هم آدم خیال‌پردازی باشید، احتمالا تا کنون به این موضوع فکر کرده‌اید که آیا شرکت‌های خودروسازی با این همه رشد و پیشرفت فناوری، قادرند خودرویی بسازند که بدنه‌ی آن تغییر شکل دهد یا رنگ آن تغییر کند؟ اگر چنین خودرویی تولید شود و شما هم مالک آن باشید احتمالا از تغییر رنگ و شکل بدنه‌ی آن حسابی کِیف می‌کنید!

خوب است بدانید شرکت معروف خودروسازی BMW با استفاده از فناوری نانو، خودرویی با نام جینا (GINA) تولید کرده که این آرزوی به نظر دور از دسترس را تحقق بخشیده است. نانوخودروی جینا با استفاده از یک پارچه از جنس نانو که به عنوان بدنه بر روی بازوهای هیدرولیکی متحرک کشیده شده است، می‌تواند تغییر طرح بدنه را در مدت زمان کوتاهی انجام دهد.

جالب‌تر این که شما می‌توانید در این خودرو، رنگ و طرح موردنظر و دلخواه خود را درون حافظه‌های از قبل تعبیه شده، ذخیره کنید و هر زمان که دوست داشتید یک خودرو با رنگ و طرح موردنظر خود داشته باشید.

- فناوری نانو و صنعت خودرو
فناوری‌های میکرو و نانو قبلا تغییراتی در صنعت خودرو ایجاد کرده‌اند. امروزه، تنظیم موتور بسیاری از خودروها توسط میکروتراشه‌های الکترونیکی انجام می‌شود، ترمز خودروها توسط سیستم‌های الکترونیکی کنترل می‌شود، احتراق موتور توسط ابزارهای الکترونیکی بررسی می‌شود، و نیز بدنه‌ی بسیاری از خودروها توسط کامپوزیت‌های مقیاس میکرو و نانو ساخته می‌شود. این‌ها هم در جهت زیبایی و راحتی خودرو، و هم در جهت افزایش کارآرایی و عمر خودرو می‌باشد.
صنعت خودرو از طریق دست‌یابی به موتورهای پیشرفته، استفاده از انرژی‌های نو، کاهش وزن ماشین، بهبود عملکرد مواد، افزایش میزان راحتی و انعطاف‌پذیری، افزایش بهره‌وری و . از فناوری نانو بهره می‌برد.
ده‌ها کاربرد فناوری نانو برای صنعت خودرو مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته است؛ و تعدادی از این کاربردها امروزه در صنعت خودروسازی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این کاربردها موجب می‌شود تا خودروها سبک‌تر، پُرقدرت‌تر، سریع‌تر و ایمن‌تر شوند، و با محیط زیست سازگاری بیش‌تری داشته باشند. از سویی دیگر، فناوری نانو موجب کاهش هزینه‌های عملکردهای موجود نیز می‌شود.
یکی از اصلی‌ترین موضوعات فناوری نانو، ساخت مواد با خواص جدید است. این مواد ارزش افزوده‌ی بسیار بالا و کارایی بالاتری در تمام صنایع از جمله صنعت خودرو خواهند داشت.
ساخت بدنه‌هاي سبک‌تر و مقاوم‌تر براي خودرو، ساخت لاستيک‌هايي با مقاومت سايشي بهتر، ساخت قطعات موتور با عمر چند برابر، کاهش مصرف سوخت خودرو، ساخت باتري‌هايي با انرژي بالا و دوام بيشتر، ساخت نانوساختارهايي مبتني ‌بر کربن برای استفاده در خودروهاي پيل‌سوختي، ساخت حسگرهاي چندمنظوره براي کنترل فرايندهاي مختلف در خودرو، ساخت کاتاليزورهاي اگزوز خودرو براي کاهش آلودگي هوا، لايه‌هاي بسيار محکم با خصوصيات ويژه‌اي مثل الکتروکُروميک (رنگ‌پذيري الکتريکي) و خودپاک‌کنندگي براي استفاده در شيشه‌ها و آينه‌هاي خودرو، و سازگار کردن خودرو با محيط‌زيست و بسياري از موارد ديگر، از جمله کاربردهاي فناوری نانو در صنعت خودرو است. هم‌چنين، جايگزيني کربن سياه در تايرها با ذرات رس و پليمرهاي نانومتري، فناوری جديدي است که تايرهاي سازگار با محيط زيست و مقاوم در برابر ساييدگي را به ارمغان مي‌آورد.
يکي از اثرات مثبت فناوری نانو، افزايش بازده موتورهاي درون‌سوز کنوني است. اين موتورها، حدود 15 درصد از انرژي ذخيره شده در بنزين را به نيروي محرکه تبديل مي‌کنند. از سوي ديگر، جرم متوسط خودروهای امروزي حدود 1500 کيلوگرم است. با استفاده از فناوری نانو، پيش‌بيني مي‌شود که بتوان بازده را تا 5 برابر افزايش داد و نيز جرم وسايل نقليه را به ميزان 10 برابر کاهش داد.
بر اساس پژوهش‌های انجام شده، بازارهای کاربردی بخش‌های فناوری نانو در صنعت خودرو به صورت زیر است:
1. تولید و ذخیره‌ی انرژی: پیل‌های سوختی، پیل‌های خورشیدی، کاتالیزورهای بنزینی و گازوئیلی، ذخیره‌سازی انرژی در باتری.
2. مواد نانوساختار، نانوکامپوزیت و نانوذرات: نانوساختارهای سبک وزن، مواد مقاوم در برابر آتش و حرارت، افزایش استحکام و بهبود پایداری.
3. رنگ‌ها و پوشش‌های نانوساختار و هوشمند: خود تمیز شونده‌ها، مقاومت در برابر خراش، مواد قابل‌برنامه‌ریزی.
4. حسگرها و نمایش‌‌گرها: حسگرها و نمایش‌گرهای حرکت، فشار، شیب و شرایط جوی.
5. نانوالکترونیک: مدیریت هوشمند موتور، سیستم روشنایی، کنترل امنیت، باتری‌های با طول عمر بالا.
6. نانومواد و نانوپوشش‌ها: پوشش‌های نانوکامپوزیتی با اصطکاک پایین، مقاوم به سایش، مقاوم در برابر حرارت.
7. کاربردهای زیستی: تجهیزات بهداشتی، سیستم‌های امداد، طراحی سازگار با محیط زیست.

خودروسازی‌های تویوتا و مرسدس بنز با استفاده از رنگ‌های تمیزشونده، فناوری نانو را وارد خودروهای تولیدی کردند و امروز بسیاری از شرکت‌های خودروسازی بزرگ دنیا، از فناوری نانو در بخش‌های مختلف خودرو استفاده می‌کنند. در ایران نیز نانوفناوری به سرعت در حال توسعه است و اکنون قطعات و مواد نانویی بسیاری تولید شده که امکان استفاده در خودروها را دارند.

آینه‌های همیشه تمیز

یکی از مشکلات آینه‌های خودرو، هنگامی است که برای مثال راننده خودروی عقب، نور بالا روشن می‌کند و دید راننده جلوی خود را محدود می‌کند. در این شرایط آینه‌هایی با پوشش نانو، نور مزاحم را بازتاب نمی‌کند و ایمنی راننده را بالا می‌برد. از طرفی آینه‌های خودرو بعد از مدتی جرم می‌گیرد و یکی از روش‌های خانگی و رایج استفاده از خمیر دندان برای تمیز کردن آنهاست. اما فناوری نانو با پوشش اشعه فرابنفش، سطح آینه‌ها و چراغ‌ها را ضدخش و ضدجرم می‌کند.

نوع دیگر از مواد نانویی نیز آب گریز است و هنگامی که روی سطوح مختلف ازجمله شیشه، اسپری می‌شود، سطح آب گریز می‌شود. در این شرایط با این که گرد و غبار روی شیشه می‌نشیند، اما پاک کردن آن به آسانی ممکن است و هنگام بارندگی نیز دید راننده محدود نمی‌شود.

پوشش‌ نانو، حافظ خودرو

استفاده از فناوری نانو در پوشش خارجی خودرو باعث افزایش کیفیت رنگ و استهلاک کمتر بدنه خودرو می‌شود. نانوذرات در ابعاد و اندازه‌های مختلف، نورهایی در فرکانس‌های متفاوت ساطع می‌کنند که می‌تواند برای تولید رنگ‌های گوناگون استفاده شود. این رنگ‌ها علاوه بر کیفیت بالاتر خاصیت ضدخوردگی دارند و روی سطوح فی نیز ماندگارتر خواهند بود. یکی دیگر از ویژگی‌های رنگ بدنه نانویی، ضخامت بسیار پایین رنگ است که در مصرف رنگ صرفه‌جویی می‌شود و به دلیل وجود درصد کمتر حلال‌های فرار با محیط زیست سازگارتر است.

نانو روکش‌ها در واقع فات یا سرامیک‌های نانو مقیاس هستند که نقش کلیدی در عملکرد قطعات مکانیکی داخلی خودرو نیز ایفا می‌کنند. روکش‌های نانوساختار در مقایسه با روکش‌های حاوی دانه‌های درشت، مقاومت حرارتی بالاتر و رسانایی حرارتی پایین‌تری دارند. روکش‌های نانویی میزان ساییدگی و اصطکاک را کاهش می‌دهند و باعث افزایش طول عمر مواد می‌شوند. همچنین روکش‌های نانو کامپوزیتی اکسید آلومینیوم در برابر خراش و لک مقاوم و رنگ شفاف‌تری نسبت به روکش‌های معمول دارند.

در حال حاضر کاربرد اصلی نانوروکش‌ها در خودروسازی برای ایجاد مقاومت در برابر تشکیل رسوبات اکسیدی و تمیز شدن آسان شیشه خودروست. فولکس واگن،‌ ب‌ام‌و، تویوتا و سوبارو ازجمله شرکت‌های خودروسازی هستند که از این نانوروکش‌ها استفاده می‌کنند. نانو پودرهای اکسید فی به عنوان افزودنی رنگ در خودروها کاربرد دارند و باعث به وجود آمدن سختی و دوام بالای بدنه خودرو می‌شوند. این روکش‌ها با کاهش هدر رفت انرژی، کارایی خودرو را بالا می‌برند و مصرف سوخت را کمتر می‌کنند. پوشش‌های نانو ذرات سرامیکی نیز باعث پایداری و مقاومت بیشتر رنگ در مقابل فرسایش می‌شوند و حتی به عنوان پاک‌کننده نیز می‌توانند کاربرد داشته باشند.

خودروهای برقی با باتری‌های نانویی

با توسعه خودروهای برقی، مساله باتری این خودروها به چالش اصلی تولیدکنندگان خودروهای برقی تبدیل شده است. صنعت خودروسازی برای ساخت خودروهای برقی کاربردی نیاز به باتری‌هایی بمراتب سبک‌تر، نازک‌تر و با ظرفیت بالاتر دارد. از طرفی فناوری نانو، امکان تولید باتری‌هایی با حجم کم و کیفیت بالا را به طراحان وسازندگان می‌دهد.

باتری‌های لیتیوم یونی میان انواع باتری‌ها عملکرد و بازده مناسب‌تری برای استفاده در خودروهای برقی دارند. این باتری‌ها برای کاربردی بودن در خودرو باید قابلیت شارژ مجدد را داشته باشند. در فرآیند شارژ باتری‌های لیتیوم یونی، در الکترود مثبت لیتیوم به یون لیتیوم مثبت و در الکترود منفی، یون لیتیوم به لیتیوم فی تبدیل می‌شود. استفاده از نانوساختارها در این باتری‌ها به افزایش ظرفیت باتری‌ها و در عین حال کاهش وزن آنها کمک می‌کند.

از طرفی نانو پوشش‌های کربنی ایجاد شده روی ذرات نیز هدایت الکتریکی را افزایش خواهند داد. در نتیجه می‌توان گفت با بهینه‌سازی باتری‌های لیتیوم یونی به این روش، می‌توان انتظار آینده روشنی را برای خودروهای برقی داشت.

افزایش عمر مفید موتور خودرو

استفاده از نانو سیالات در موتور خودرو علاوه بر کاهش مصرف سوخت، عمر مفید موتور خودرو را افزایش می‌دهد. نانو سیالات به سیالات دارای ذرات در مقیاس یک تا صد نانومتر گفته می‌شود که درون سیال پخش شده و رسانایی حرارتی سیال را افزایش می‌دهند. این نوع سیالات سرعت انتقال حرارت بالاتری دارند و در فرآیندهایی که نیاز به گرمایش یا سرمایش دارند، کاربرد خواهند داشت. استفاده از ترکیبات نانو سیال در رادیاتور خودرو به فرآیند خنک کردن موتور خودرو کمک می‌کند. استفاده از این نانو سیالات به عنوان خنک‌کننده، می‌تواند باعث کوچک شدن پمپ‌های خنک‌کننده، کاهش مصرف سوخت و نشر آلایندگی کمتر شود.

علاوه بر این، روغن موتور مجهز به ذرات نانو منجر به کاهش سایش و اصطکاک سطوح و کنترل چسبندگی می‌شود. روغن‌های دارای نانومواد نسبت به روغن‌های رایج خاصیت روان‌کنندگی بیشتر و در عین حال خوردگی و فرسایش کمتری نسبت به روغن‌های قدیمی دارند. فیلترهای هوای نانو، الیافی که در تهویه خودرو مورد استفاده قرار می‌گیرند نیز علاوه بر افزایش طول عمر فیلتر به حذف ذرات بسیار ریز که کارایی فیلترها را پایین می‌آورد نیز کمک می‌کند.

لاستیک‌هایی با استحکام بیشتر

نانوفیلترها و نانوکامپوزیت‌ها ازجمله موادی هستند که در لاستیک‌های جدید از آنها استفاده می‌شود و خواص فیزیکی لاستیک را بهبود می‌بخشند. ذرات نانومتری خاک رس، اکسید روی نانومتری، نانوکربنات کلسیم و الماس نانومتری موادی هستند که با افزودن آنها به ترکیبات لاستیک، مقاومت و استحکام لاستیک افزایش یافته و لاستیک دیرتر از بین می‌رود.

البته مواد نانویی که در تایرسازی استفاده می‌شود را نمی‌توان فناوری جدید به شمار آورد، زیرا انواع کربن سیاه و سیلیکای بی‌شکل استفاده شده در تایرها که مدت‌هاست استفاده می‌شوند، ازجمله مواد نانو ساختار به شمار می‌روند. به طور کلی این مواد باعث افزایش دوام، کاهش وزن و مقاومت چرخشی لاستیک می‌شود.

شیشه‌های ضدآب خودرو

تمیز بودن شیشه خودرو یکی از عوامل تاثیرگذار در دید راننده به شمار می‌رود و در افزایش ایمنی خودرو نیز نقش مهمی دارد. امروزه رنگ‌ها و پوشش‌هایی وجود دارد که ساختار نانویی آنها، از جمع شدن ذرات آلودگی و ذرات بسیار ریز روی سطح جلوگیری می‌کنند، اما بتازگی پوشش‌های نانویی طراحی و ساخته شده است که همین خاصیت را برای سطوح شیشه‌ای به ارمغان می‌آورد. این پوشش‌ها به شکل لایه‌ای نازک و بی‌رنگ روی سطح شیشه قرار می‌گیرند، فرورفتگی‌های بسیار ریز سطح شیشه را پر کرده و سطح صافی ایجاد می‌کنند. در نتیجه قطرات ریز آب و گرد و غبار روی شیشه باقی نمی‌ماند.

این فناوری علاوه بر کمک به بهبود افزایش دید راننده، بازتاب نور اضافی در شب را کاهش می‌دهد و باعث استهلاک کمتر برف‌پاک‌کن‌ها می‌شود. با اضافه‌کردن پوشش نانویی به شیشه خودرو، سطح شیشه کاملا صاف و بدون پستی و بلندی می‌شود و در نتیجه قطرات ریز آب یا گرد و غبار روی آن باقی نمی‌ماند. استفاده از این مواد روی سطوح شیشه‌ای، پلاستیکی و سطوح رنگ شده خودرو علاوه بر تمیز نگه داشتن سطوح، باعث حفظ طولانی‌مدت بدنه و سطوح خودرو نیز می‌شود.

قطعاتی با طول عمر بالاتر

در صنایع بخصوص خودروسازی همواره نیاز به قطعاتی مستحکم، سبک و با حداقل اندازه ممکن وجود دارد. استفاده از مواد نانویی خواص جدیدی ازجمله کاهش وزن، افزایش قدرت، سرعت و ایمنی به خودرو می‌دهد. همچنین این مواد علاوه بر داشتن این خواص، دارای طول عمر و بهره‌وری بالاتر انرژی و در نتیجه سازگار با محیط زیست هستند. مقاومت بیشتر در برابر ضربه، عملکردهای جدید، ایمنی بیشتر و هزینه کمتر از دیگر ویژگی‌های این مواد به شمار می‌رود.

نانو کامپوزیت‌ها در بخش‌های مختلف خودرو مانند پایه‌های در، روکش داشبورد، داشبوردهای ضدخش و ضدباکتریایی پوشش کیسه‌های هوا و فیلترهای تصفیه‌کننده هوا به کار می‌روند. این نوع کامپوزیت‌ها در قطعات خارجی نیز به دلیل کاهش وزن خودرو و دوام بیشتر در معرض شرایط آب و هوایی، انتخاب مناسبی به شمار می‌روند. همچنین استفاده از قطعات نانویی به سبک کردن سینی فن خودرو با حفظ خواص مکانیکی کمک می‌کند.

الماسه‌هایی که برای شکل دادن به ورق‌ها و قطعات استفاده می‌شود، ابزارهای دنده‌زنی در قسمت نیرو محرکه و سره‌های جوش در قسمت‌هایی از خودرو که نیاز به جوشکاری دارد، از کاربردهای جانبی استفاده از فناوری نانو در صنعت خودروسازی است.

بهینه‌سازی پیل سوختی

استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت خودرو، کمترین آسیب را به محیط زیست می‌رساند و برخلاف سوخت‌های فسیلی، این سوخت تجدیدپذیر است. سوخت خودروهایی که با پیل سوختی کار می‌کنند هیدروژن است و هیدروژن از هیدرولیز آب تهیه می‌شود. در آند پیل به هیدروژن با بار مثبت و الکترون تبدیل می‌شود و الکترون در مدار باعث به حرکت در آمدن خودرو می‌شود. در صورت استفاده از نانو لوله‌های کربنی در مخازن ذخیره هیدروژن در خودرو، می‌توان حجم زیادی هیدروژن را در فضای کمی ذخیره کرد. نانولوله‌های کربنی را می‌توان به عنوان ذخیره‌کننده موثر هیدروژن در پیل‌های سوختی استفاده کرد و به کمک آنها انرژی مورد نیاز خودرو تامین می‌شود.

نانولوله‌های کربنی از استوانه‌های تو در تو به قطر یک نانومتر ساخته شده‌اند که خاصیت‌هایی مثل استحکام و قابلیت ارتجاعی بالا باعث شده مواد مناسبی برای ساخت انواع پلیمرها و مواد الکترونیک باشند. به طور کلی فناوری‌های نانو در سامانه‌های پیل سوختی خودرو به عنوان الکترود، الکترولیت و کاتالیزور الکترود استفاده می‌شود.

3- نتیجه و جمع‌بندی
به نظر می‌رسد ظهور فناوری نانو تاثیرات متعدد و شگرفی را بر صنعت خودرو، به عنوان یکی از بزرگ‌ترین و نوآورترین صنایع خواهد داشت. گستردگی فناوری نانو موجب شده تا صنایع گوناگونِ زیر مجموعه‌ی صنعت خودرو نیز از تحولات این فناوری متاثر شوند. تحولات فناوری نانو در صنعت خودرو آن قدر گسترده و گوناگون است که فهرست آن نیز بسیار طولانی است. در زیر نمونه‌هایی از کاربردهای فناوری نانو را در صنعت خودرو ملاحظه می‌کنید.
- نیروی محرکه: موتور هوشمند، اصطکاک پایین و مقاومت سایشی بالا، سیالات خنک کننده‌ی جدید و .
- بدنه‌ی خودرو: وزن کم، استحکام زیاد، خود پاک کننده، ضد خوردگی و ضد خش، قابل برنامه‌ریزی و .
- بخش‌های داخلی: ضد آتش و گرما، فیلتراسیون هوا، تمیز و ضدعفونی و .
- سیستم دید در شب: حسگرهای فروسرخ بسیار حساس، شیشه‌های الکتروکرومیک، نمایش هوشمند و .
- لامپ‌ها: منابع نوری جدید، سوئیچ‌های نوری، روکش‌های الکتروکرومیک و .
- انرژی: پیل‌های خورشیدی کارا، نانو کاتالیست‌ها، ذخیره‌سازی انرژی، ذخیره‌ساری هیدروژن برای پیل سوختی و .
- محیط زیست: مواد قابل بازیافت، حذف آلاینده‌های مضر و .
- ایمنی: تست بیومتریک، حسگرهای بسیار ریز، هشدار زود هنگام خطر، جلوگیری هوشمند از تصادف، سیستم نجات و .
- اطلاعات و تفریحات: هوش مصنوعی، مشاهده‌ی سه بعدی، سیستم‌های هدایتی پیشرفته، نمایش‌گرهای لایه نازک و .