211service.com
Avanceret fremstilling og nye materialer
Nye materialer er kritiske komponenter i nye teknologier, der lover at blive vigtige vækstområder for økonomien, såsom billigere solenergi, elbilbatterier, der kan gå længere mellem opladninger, letvægts bærbart elektronisk udstyr og implanterbart medicinsk udstyr til personlig medicin. Men rejsen fra nyt materiale til produkt tager typisk et til to årtier. Det skyldes i høj grad, at nye materialer kræver avancerede produktionsteknologier, der kan tage mange år at udvikle.
Råmateriale: Dette materiale, som kunne bruges i katoder til lithium-ion-batterier, blev afdækket gennem computerscreening. De forskellige former repræsenterer forskellige dele af forbindelsen, en blanding af lithium, mangan, bor og oxygen.
Det Hvide Hus håber at halvere den tid ved at investere 100 millioner dollars i et Materials Genome Initiative rettet mod at tilskynde til mere effektiv brug af de beregningsmæssige modelleringsværktøjer, som forskere bruger til at forudsige egenskaberne af nye materialer. Initiativet, som er en del af Det Hvide Hus's Avanceret produktionspartnerskab , vil understøtte åben adgang til disse modeller og databaser på tværs af materialevidenskabssamfundet i håb om at forbinde akademikere med industrien tidligere i udviklingsprocessen.
Som det ser ud nu, tager forskere, der arbejder med nye materialer, ikke produktionsproblemer i betragtning tidligt nok, siger Cyrus Wadia , assisterende direktør for ren energi og materialer R&D ved Det Hvide Hus Office of Science and Technology Policy. Som et resultat kan deres forskning føre dem ind i blindgyder. Måden at ændre det på, mener han, er at opmuntre hele materialevidenskabssamfundet, fra akademikere til producenter, til at dele data og beregningsværktøjer - materialegenomet. Wadia siger, at han vil have forskere til at spørge sig selv: Hvem har gjort det før, hvad har de lært, og hvad kan markedet tåle?
Materialeforskere har brugt prædiktive modeller med varierende grader af succes i løbet af de sidste 20 år, manipuleret med data om egenskaber såsom smeltepunkt, ledningsevne eller den måde, en forbindelse reagerer med andre for at forudsige, om et materiale er egnet til en bestemt anvendelse som f.eks. en batterielektrode. De involverede beregninger er meget komplicerede. Men når først koden til at forudsige lovende kandidater til en bestemt ansøgning er skrevet, kan den bruges til at teste potentialet i ethvert materiale, siger Gerbrand Ceder , en professor i materialevidenskab ved MIT, der har specialiseret sig i beregningsmodellering af nye batteri-elektrodematerialer. Desværre har der ikke været nogen infrastruktur til at hjælpe forskere med at dele deres data og den kode, der blev brugt til at knuse dem, og få af modellerne har taget produktionsproblemer i betragtning.
Problemet med skalering og fremstilling er, at man ikke forstår alt, siger Ceder. Hvis vi kunne lave tingene præcis, som vi lavede dem i laboratoriet, ville der ikke være noget problem. Men sådan fungerer det ikke. Mindre forskelle i fremstillingsbetingelser er uundgåelige, når man skalerer op fra at lave gram af et materiale til at fremstille det i ton. Og de materialer, der kommer ud af akademiske laboratorier i dag, er sværere at lave end fortidens materialer. Mange avancerede materialer opnår deres ekstraordinære egenskaber gennem molekylær eller endda atomær strukturel præcision, og at lave dem er ikke som at fremstille for eksempel stål. Man laver stål ved at smelte metaller sammen i et kæmpe kar, siger man Alexander King , direktør for Ames National Laboratory i Iowa. Ved fremstilling af avancerede materialer, siger King, skal du bruge mere kontrollerede metoder, ellers vil atomerne ikke gøre, hvad du vil. Uoverensstemmelser i temperaturkontrol, blanding eller andre faktorer kan føre til fejl. Og teknikker, der bruges til at opnå præcision i atom-skala i laboratoriet, kan være svære at oversætte til produktion i stor skala.
At lave store partier af et komplekst materiale konsekvent på en fabrik kræver næsten altid processer, der er forskellige fra dem, der bruges til at lave små partier i laboratoriet. Det betyder flere penge, tid og risiko. Lad os f.eks. sige, at et forskningslaboratorium har lavet en-tommers kvadratiske solceller, hvis aktive lag er skabt ved at printe en nanopartikelblæk. Kommercialisering af en sådan teknologi kræver, at en virksomhed udvikler flere fremstillingsteknikker. Først skal den finde ud af, hvordan man laver nanopartiklerne i store partier; så skal den finde en udstyrsproducent til at levere en skræddersyet maskine til at printe disse blækfarver over kvadratmeter eller selv udvikle det udstyr. Men det kommer måske ikke engang til det stadie. Hvad hvis forskere, når de forsøger at lave et stort antal af disse solceller, ikke kan få nanopartiklerne arrangeret på en ensartet måde, og cellerne ikke virker? På ethvert tidspunkt kan en fatal fejl blive afsløret.
Materials Genome Initiative har til formål at forudsige sådanne produktionsproblemer og styre videnskabsmænd og ingeniører væk fra dem tidligere i udviklingsfasen. Problemerne i forbindelse med opskalering fra laboratoriebænk til fabrik er ikke noget særligt, siger Ceder. Den største udfordring lige nu er, at individuelle grupper og virksomheder har udviklet kodestykker og samlet data om nye og eksisterende materialer, men de har ingen mulighed for at dele denne information. De indgiver et patent, får et papir offentliggjort, og det stopper der. Materials Genome vil samle alle sådanne data i en central database.
Akademisk kultur er mere modtagelig for deling af data end virksomhedskultur, men Wadia, som har talt med repræsentanter for de store materialevirksomheder om dette initiativ i løbet af de sidste par år, mener, at virksomhedernes laboratorier også vil bidrage. Det ville faktisk være svært for et sådant projekt at lykkes uden dem. Det vil starte i lommer af fællesskaber, men vi skal have en kritisk masse, for at det her kan fungere, siger han. Virksomheder, der laver avancerede materialer, genererer allerede en stor mængde data gennem daglig overvågning af produktionsoperationer, og han håber, at de vil dele denne form for information med Materials Genome Initiative.
Vi mener, at en nøglerolle, industrien kan spille, er at give vores perspektiv på, hvordan materialer bruges, designes og evalueres til industrielle produktapplikationer, siger Christine Furstoss, teknisk direktør for fremstilling og materialeteknologier hos GE Global Research . Vi bruger et stort antal materialer, der anvendes på tværs af flere industrier og har en stor interesse i at hjælpe med at fremme ydeevnen og fremstillingsevnen af sådanne materialer.
De første 100 millioner dollars vil blive fordelt mellem fire statslige agenturer: National Institute of Standards and Technology, Department of Energy, National Science Foundation og Department of Defense. Repræsentanter fra Det Hvide Hus ville ikke kommentere på, hvor mange penge der ville gå til hvert agentur og til hvilke specifikke projekter, men vægten, siger Wadia, er på at bygge beregningsinfrastruktur. Hvordan den infrastruktur skal se ud, vil blive hash ud i løbet af det næste år. Midlerne vil også gå til uddannelsesinitiativer.
Nye materialer er vigtige muligheder for fremstilling, siger Ceder. Hvis du vil øge produktionen i USA, vil du ikke gøre det på gamle teknologier.