宇宙産業向け軽量素材製造のための新パートナーシップが発足
ルクセンブルク科学技術研究所（LIST）は、ルクセンブルクの企業Gradel社と、航空・宇宙産業向けの超軽量構造の研究・生産を目的とした新たなパートナーシップ・ベンチャーを設立すると発表した。タレス・アレニア・スペース社（フランス）、エアバス・ディフェンス・アンド・スペース社（フランス）、OHB社（ドイツ）の欧州衛星建設大手3社向けに部品を生産する。
宇宙と衛星の領域では、重量は高価である。宇宙に輸送する製品が重ければ重いほど、コストがかかる。実際、現在の見積もりでは、1kgあたり約5,000～10,000ユーロのコストがかかっており、宇宙に人工衛星を送る企業にとっては、少しでも重量を減らすことが経済的にプラスになるということだ。
この新しいパートナーシップは、連続炭素繊維強化ポリマー（CFRP）をフィラメントワインディングプロセスで使用し、超軽量3D構造体を作ることで、非常に強靭でありながら超軽量な構造体の製造を目指している。
炭素繊維はポリマーでコーティングされ、物体全体を固化させるため、非常に堅固で弾力性がある。含浸された炭素繊維は、最適化された3Dメッシュ設計を形成するために巻かれ、部品に特殊な機械的特性を与えます。
一つは「xFKin3D」と呼ばれるもので、フィラメントを手作業で織って部品を作る。これは、xFKin3D技術によって製造された構造部品の宇宙用標準の実証を目標としている。
ロボット化されたxFKin3D "として知られる2つ目のプロジェクトは、最初のプロジェクトと同じ部品を製造する挑戦となるが、LISTに最近設置された新しいロボットアームを使用することで、完全自動化された製造工程となり、優れた再現性が保証され、同じ強度と品質で、より大規模なものとなる。
生産される部品は、アンテナ・サポートや人工衛星の機器用ブラケットなど、あらゆるものに使用される。現在、これらの部品の多くは金属製で、そのため比較的重い。ルクセンブルクで生産されるLISTとGradelのこの新技術により、最大75%の軽量化が達成され、企業のコストを大幅に削減することができる。
この2つのプロジェクトは、ルクセンブルク国家宇宙プログラムLuxIMPULSEの支援を受けている。このプログラムは、ルクセンブルクで設立された企業が革新的なアイデアを市場に投入できるよう資金を提供することを目的としている。このプログラムは、ルクセンブルク宇宙庁（LSA）が欧州宇宙機関（ESA）と共同で運営している。
風力タービンのブレードに新しい炭素繊維を使用することで、コストと性能にメリットがもたらされる可能性
サンディア国立研究所の研究者が主導した研究によると、新しい炭素繊維素材が商業的に開発されれば、風力発電産業にコストと性能のメリットをもたらす可能性がある。
炭素繊維を使用した風力ブレードの重量は、従来のグラスファイバー製よりも25%軽い。つまり、カーボンファイバー製のブレードはグラスファイバー製よりも長持ちし、風の弱い場所ではより多くのエネルギーを捕捉できることになる。サンディア研究所の風力エネルギー研究者であり、このプロジェクトの主任研究者であるブランドン・アニス氏は、カーボンファイバー素材は高い耐疲労性を持っているため、カーボンファイバーに切り替えることでブレードの寿命を延ばすこともできると述べた。
このプロジェクトは、DOEのエネルギー効率・再生可能エネルギー局風力エネルギー技術室から資金援助を受けている。プロジェクトのパートナーには、オークリッジ国立研究所とモンタナ州立大学が含まれる。
風力タービンを製造している企業の中で、ブレード設計に炭素繊維材料を多用しているのは1社だけである。風力タービンのブレードは、単一ピースの複合構造物としては世界最大のものであり、ガラス繊維強化複合材料とコスト・バリューで競合する材料が市販されれば、風力産業は炭素繊維材料の重量ベースでは最大の市場になる可能性がある、とエニス氏は言う。
風力発電業界では、部品設計の際にコストを主に考慮するが、タービンメーカーは、ブレードが回転する際に受ける圧縮荷重や疲労荷重に最長30年間耐えられるブレードを製造する必要もある。
エニスたちは、オークリッジ国立研究所で開発された新しい低コストの炭素繊維が、風力産業にコストメリットをもたらすと同時に、性能のニーズを満たせるのではないかと考えた。この素材は、アクリル繊維の太い束を含む、繊維産業から広く入手可能な前駆体から始まる。繊維を加熱して炭素に変換する製造工程に続いて、炭素繊維を板状に引き抜く中間工程が行われる。この引き抜き工程により、ブレード製造に必要な高い性能と信頼性を備えた炭素繊維が製造され、高い生産能力が可能になる。
研究チームがこの低コストの炭素繊維を研究したところ、風力産業にとって最も関心の高いコスト別の特性において、現在の市販素材よりも優れていることがわかった。
ORNLは、炭素繊維技術施設から炭素繊維の開発サンプルと、この材料から作られた複合材、および比較のために市販の炭素繊維から作られた同様の複合材を提供した。
モンタナ州立大学の同僚たちは、市販の炭素繊維や標準的なガラス繊維複合材料と比較して、新しい炭素繊維の機械的特性を測定した。そしてエニスは、これらの測定結果をORNLのコストモデリング結果と組み合わせた。彼はこれらのデータをブレード設計分析に使用し、風力ブレードの主要構造支持体として、標準的な炭素繊維やガラス繊維の代わりに新規炭素繊維を使用した場合のシステムへの影響を評価した。この研究は、米国エネルギー省風力エネルギー技術局から資金提供を受けた。
エニスたちは、この新しい炭素繊維材料は、業界の基準である市販の炭素繊維よりも、1ドルあたりの圧縮強度が56%高いことを発見した。一般的に、メーカーは圧縮強度が低くても、より多くの材料を使用することで対応する。アニスの計算では、風力タービンブレードの主要構造部品であるスパーキャップの材料費は、市販の炭素繊維に比べて40%節約できる。