18 февраля 2018 11:58

Перевинайдення металургії

Чому наступний SpaceX буде дерев’яним

Перевинайдення металургії

7 лютого 2018 року у міжнародному науковому журналі «Nature» колектив авторів з Університету Меріленду опублікував визначну статтю щодо нової технології обробки деревини, яка у більшості випадків може замінити метал та здійснить революцію у прикладних інженерних науках.
 
Університет Меріленду - місце, де були проведені дослідження нового матеріалу. Бюджет Університету у 2017 році склав $2 млрд, з яких чверть пішла на пряме фінансування наукової діяльності; видатки українського бюджету на систему освіти загалом у 2017 році склали $6 млрд.

Синтетичні структурні матеріали з визначними механічними властивостями мають або велику питому вагу, а їх виробництво має несприятливий вплив на навколишнє середовище (феросплави та лігатури), або ж складний технологічний процес та звідси – високу ціну (полімери та біомеметичні композити). Мерілендські матеріалознавці вирішили не винаходити новий матеріал, а зосередилися на покращенні механічних властивостей найдавнішого з відомого людству – деревини. 
З точки зору сучасних наукомістких інженерних структур, натуральна деревина, з огляду на силу, міцність та товщину, не має жодних перспектив до використання. Наразі існують методи покращення цих властивостей за допомогою пару, високих температур, обробки амонієм та пресування. Однак, автори нового підходу наголошують, що наявні технології не надають деревині вкрай важливих характеристик просторової стабільності: матеріал розповзається, «крутить», особливо у вологому середовищі. 
Науковці під керівництвом Лянбіну Ху (Liangbing Hu) розробили дуже просту двоступеневу технологію підвищення основних механічних властивостей деревини. Спочатку сировина виварюється у суміші NaOH (гідроксид натрію, у народі – їдкий натр) та Na2SO3 (сульфіт натрію). Після цього деревину промивають кип’ятком деіонізованої води. Другим етапом є гаряче пресування деревини при температурі 100 оС. Виварювання має на меті залишити цілісну структуру целюлозних волокнин з видаленням лігніну та геміцелюлози. Ця процедура необхідна, оскільки лігнін та геміцелюлоза значно знижують здатність деревини до пресування. Пресування, у свою чергу, робить деревину більш якісним матеріалом.

 
Результат обробки деревини за новою технологією: на 80% зменшується товщина, пружність збільшується у 11.5 разів, а міцність – на порядок.

Особливо цікавою є діаграма у нижньому лівому куті. Це порівняння властивостей механічної напруги різних матеріалів. Зліва направо: пластмаса холодної поляризації, аерокосмічний алюміній, легована сталь, аерокосмічний титан, натуральна деревина, деревина, пресована за нової технологією. 
Фактично, ми стали свідками винайдення одного з найбільш міцних матеріалів у світі, виробництво якого не потребує декількох науково-дослідних інститутів та залучення мільярдних інвестицій. Так, наприклад, найміцніший відомий нам матеріал у Всесвіті – графен – виробляється вручну в лабораторних умовах цілим штатом науковців, але його можливе промислове виробництво ще дорожче, оскільки потребує дуже багато енергії. І якщо українська наука та промисловість мають дуже мало перспектив стати в авангарді світових наукових трендів, то у вітчизняній лісопромисловій галузі ще не все втрачено. 
Головною перевагою нової технології з виготовлення надміцної деревини є те, що виробничий ланцюг не є якоюсь «річчю у собі». Гідроксид та сульфіт натрію є дуже поширеними у хімічній промисловості сполуками з низькою собівартістю виробництва. Ці речовини вже використовуються у лісопромисловому секторі при виробництві целюлози (паперу та картону), синтетичних тканин з деревини (віскоза). Гідроксид натрію є головним компонентом у виробництві біодизельного палива, а сульфіт натрію використовується у виробництві пестицидів та агрохімікатів загалом. Виробництва цих сполук вже налагоджені в Україні: головним виробником похідних натрію є, наприклад, «ДніпроАзот» у Кам’янському.
 
Нанозйомка структур натуральної та пресованої деревини. 
Крім того, похідні технологічного процесу – геміцелюлоза та лігнін – також не є витратами виробництва. Ці органічні полімери та сахариди використовують у фармацевтичній промисловості, у виробництві будівельних матеріалів. Таким чином, виготовлення надміцної деревини можна вписати у вже існуючі виробничі ланцюжки, що лише підвищить додану вартість різного роду продуктів, що будуть задіяні у виробництві. Високотехнологічність процесу дозволяє також розділити виробництво на два незалежних ланцюга, оскільки виготовлення наноцелюлози, відбувається у схожий спосіб: необхідно позбутися лігніну, а завершує процес не пресування, а гомогенізація. Наноцелюлоза є надперспективним матеріалом особливо у військовій галузі, оскільки на порядки підвищує міцність тканин, яка у цивільному житті не так потрібна, а також може бути використана як засіб для покриття  будь-яких типів ран, що здатне регенерувати людські шкірні тканини.
https://www.youtube.com/watch?v=5rj7GWDUXDU
Відео демонструє балістичні тести надміцної деревини. Перший кадр демонструє проходження циліндру з аерокосмічного титану через брусок звичайної деревини, останній – через надміцну. 
Таким чином, стереотипи про відсталість лісового господарства, яке, в очах пересічних громадян, є позаминулосторічною архаїкою, виявляються такими, що не відповідають дійсності. Лісовий сектор, за раціональних інвестицій, може перетворитися на потужний двигун економіки – наукомісткий, з високою доданою вартістю та великою кількістю робочих місць для високопрофесійних кадрів. Головним питанням є те, наскільки ми готові вписувати нашу економіку у світові наукові тренди та створювати потрібні соціальні та державні інститути. 
Игор Симисенко
журналіст