חומרים Composite שינו את הנדסה אווירית על ידי מתן פתרונות קלים, גבוהים סטריאנט המאפשרים מטוסים יעילים יותר וחללית.כפי שתנועה אווירית גלובלית ממשיכה לגדול וחקר החלל מתרחב, נפח הפסולת המורכבת מייצור, תחזוקה, וסיום של סילוק חיים גדל באופן יחסי.

חשיבותה של מחזור בחלל

תעשיית החלל כבר זמן רב מובילה בהנהלה סביבתית, המונעת על ידי מטרות יעילות דלק ומיומנויות ציבוריות.מחזור חומרים מורכבים תומך ישירות במספר מטרות עיקריות:

  • (ב) הפחתה:0 (Wasteduction:0) לנדפלים הם יקרים יותר ויותר מוסדרים.פסולת Composite, אשר אינה מבולנת, תופסת שטח יקר.
  • ייצור סיבים פחמן:0 (Resource Recovery:FLT:1) הוא ייצור סיבים אנרגיה-רגישים ויקרים. Recovering סיבים באמצעות מחזור יכול להפחית את הביקוש החומרי של הבתולים ב-30% ולהפחית פליטות פחמן ב- 50–70% בהשוואה לייצור סיבים חדשים.
  • (FLT:0) ציות לתקנות האיחוד האירופי: 1.FLT:1 הוראות האיחוד האירופי כמו סוף-החיים רכב (ELV) ו- Waste Framework Directive לדחוף ל-85-95% מיחזור.
  • (FLT:0Corporate Sustainable:) 1FLT:1 Airlines ו- OEM מתחייבים בפומבי לפליטות אפס נטו עד שנת 2050.סגורה-loop Recycleing of Complexs הוא צעד ממשי לעבר מטרות כלכלה מעגלית.

מעבר להטבות סביבתיות, מחזור מציע גם הזדמנויות כלכליות.שוק מחזור הסיבים הגלובלי של פחמן צפוי לגדול בקצב של 12-15% בעשור הבא, מונע על ידי הפרעות שרשרת אספקה ועלויות חומריות גולמיות.

סוגים של חומרים Composite המשמשים בתחום החלל

מבנים חלליים מסתמכים על מספר משפחות של חומרים מורכבים, כל אחת עם אתגרים והזדמנויות שונות:

Carbon סיבים Reinforced Polymers (CFRPs)

CFRPs אחראי על יותר מ -60% מכלל השימוש המורכב במטוסים מודרניים כמו בואינג 787 ו- Airbus A350. חומרים אלה מציעים יחס כוח-משקל פי 5 של פלדה.עם זאת, התרמוסט חוזר (פסוקסים, דוסמניים) המשמש ב-FRPs-FRIR-SFRPs של מחזורי-מחזוריים הם חוצה-linked ואינם יכולים להיות מחוסנים, מה שהופך את הפחתת משקל מכני קשה ל-95% מהיתרונות ההחלמה המתקדמים של סיביים.

Glass Fiber Reinforced Polymers (GFRPs)

בעוד פחות נפוץ במבנים ראשוניים, GFRPs משמשים בהתראות, לוחות פנימיים, ו-radomes. סיבי זכוכית הם זולים יותר בשפע יותר מאשר פחמן, אבל מחזור שלהם הוא מאתגר באותה מידה. מחזור מכני מייצר סיבים קצרים, נמוך ערכים, בעוד מחזור תרמי מניב סיבים זכוכית עם כוח מופחת.

המונחים: aramid סיבים Composites

סיבים ארמיים (למשל, Kevlar, Twaron) הם פרסו על השפעה והתנגדות בליסטית, בשימוש במנועי nacelles, קוורים, ו להבים מסוקים. Recycling aramid מסובכים קשיים ייחודיים כי סיבים ramid degrad תחת עשב גבוה וטמפרטורה.

המונחים:rmoplastic Composites

מתפתח תרכובות תרמופלסטיות (PEEK, PEKK עם סיבים פחמן) מציעים מחזוריות טבועה, כמו ממטריקס פולימר יכול להיות remeled ו reמעבד מחדש. Thermoplastics משמשים יותר ויותר בריצוף מטוסים, קליפים, ו brackets. פוטנציאל מחזור שלהם הוא נהג מפתח לאימוץ, אם כי כרכים נוכחיים נשארים נמוכים בהשוואה לתרמוטנטים.

טכניקות מחזור

הבחירה של טכניקת מחזור תלויה בסוג מורכב, אורך סיבים, כימיה רזסין, ואיכות הרצויה של חומרים התאוששים. להלן הן השיטות העיקריות המשמשות מחזור אווירי היום.

אופניים מכניים

מחזור מכני כרוך שחיקה, מגרד, או מנקה פסולת מורכבת חלקיקים קטנים (בדרך כלל 50 -500 מיקרומטר) תהליך זה הוא פשוט, בעלות נמוכה, ומדפי.התוצאה "regrind" ניתן להשתמש כמו למלא ב- CRP קונקרטי, asphalt, או תרכובות פלסטיק, אבל הוא סובל מאובדן משמעותי של אורך והיערכות. in aerospace, מחזור מכני משמש לעתים רחוקות עבור דרישות מצטברות (אך לא יכול לענות חומרים משולבים).

המונחים: cycling

התהליכים הירומליים משתמשים בחום כדי להיפטר ממטריקס אורגני ולשחרר את הסיבים.שני הגרסאות העיקריות הן:

  • (FLT:0)Pyrolysis:FLT:1 heating פסולת באווירה אינרט (400-800 מעלות צלזיוס) מחוספס את השרף, אשר ניתן לשרוף עבור אנרגיה או מדבק שמנים. סיבי פחמן לשמור 80-95% של התכונות המכאניות שלהם אם הפרמטרים של תהליך נשלטים בקפידה. pyrolysis היא השיטה המתקדמת ביותר, עם מתקנים המופעלים על ידי פחמן-Framecind (ב) וסיבים מסחריים (C) ו-Firemecremecreca-Fireme-Fireca-Fireca-Firemecremecreca-Fireca-Firecad) ו-Fireca (C) ו-Firecad) ו-Firecaddddd) (C) של פחמן (C) של פחמן (C) ו-Firemedd) לשימוש פחמן (C) ב-Firecaddddemrampremecremedemciated) ב-FiremecremeF.
  • (FLT:0)התרחשות במיטה: ⁇ 1 (השיטה הזו משתמשת מיטת חול שנוזלה על ידי אוויר חם כדי להבעיר את השרף, להשאיר סיבים נקיים.זה יעיל במיוחד עבור פסולת מזוהמת (למשל, עם צבע או ציפויים) אבל מייצרת סיבים קצרים יותר עקב פיתוי.

cycling (Solvolysis)

מחזור כימי משתמש ב- Solnts, לעתים קרובות תחת טמפרטורה ולחץ גבוהים, כדי לפרק או לפוצץ את ממטריקס שרף.זה מאפשר שחזור של שני סיבים ורכיבי מונומר / ריבין.

  • (FLT:0) solvolysis עתיר: ⁇ FLT 1:1 מים ביקורתיים או אלכוהול (methanol, ethanol) ליד 300 מעלות צלזיוס ולחץ גבוה לשבור epoxy resins לתוך מונומרים ואוליגומרים. סיבי פחמן התאוששו עם נכסים כמעט prise.
  • (FLT:0) ,Low-temperature כימי מחזור: 1:1 שימוש זרזים או פותרים קלים יותר (למשל, בנוכחות פתרון כלור) יכול להפיג את epoxy ב 150-200 מעלות צלזיוס. גישה זו היא פחות רגישה באנרגיה, אך עשויה להיות איטית או פחות מלאה.

מחזור כימי מבטיח מאוד להשיג שימוש הדוק של שני סיבים ו resin. עם זאת, זה נשאר בקנה מידה מסחרי מראש עבור יישומים אווירוקל בשל עלות, טיפול מעצורים ובעיות עקביות איכות.

מיקרוגל - Assisted Recycling

אנרגיה מיקרוגל יכולה לחמם פסולת מורכבת באופןסלקטיבי, מיקוד שרף ללא סיבים משפילים.טכניקה זו הודגמה בקנה מידה מעבדה עבור CFRPs, המציעה זמני עיבוד מהירים יותר וצריכת אנרגיה מופחתת בהשוואה לשיטות תרמיות קונבנציונליות.האתגר העיקרי הוא קנה מידה גדול, משתנה חלקי והשגת חימום אחיד.

טכניקות מתפתחות אחרות

  • (FLT:0) פיצול אלקטרוני: FLT:1hil משתמש הדופקים בעלי מתח גבוה כדי לפרק מסובכים לאורך ממשקי סיבים-מטריקס, שחזור סיבים נקיים.
  • (ב) ⁇ :0) מחזורי תיאולוגי: אנזימים 1 (Enzymes) או ⁇ s אשר שוברים כימאים מסוימים של שרף נמצאים בחקירה, אך בשלב מוקדם מאוד.
  • (FLT:0)Recycling באמצעות שימוש חוזר של טרום-prepreprepreprepreprepreg לא רצוי: FLT:1 Off-spec orפוג prepreg ניתן לתקן לתוך prepreg חדש באמצעות "מכלה קריוגנית" ולהתערב עם רזין טרי.זה נעשה על ידי כמה ספקים כדי להפחית את הפסולת במקור.

אתגרים ומכשולים למחזור של אזורי חלל

למרות היתרונות ברורים, הפחתת מחזור מורכב בתוך חלל הפנים טכני, כלכלי ולוגיסטיאלי משמעותי.

עלויות עלויות עלויות

סיבים פחמן הבתולה עולים 15 $ ל- 30 ק"ג, בעוד סיבים פחמן ממוחזרים (rCF) מוכרים כיום עבור $ $ $ 15 $ לק"ג - חיסכון, אבל לא גדול מספיק כדי להפחית את עלויות האיסוף, תחבורה, מיון ועיבוד. פסולת אווירית מיוצר לעתים קרובות במקומות מפוזרים (מתקני MRO, מפעלים לייצור, אתרים שלא משוחדים), ומיזוג הוא יקר בנוסף, הסמכה של חומר ממוחזר לשימוש נרחב עבור שטח דורש בדיקות, דורשות.

איכות חומרית ושקיפות

תרכובות חלליות נועדו במשך עשרות שנים של שירות בתנאים קיצוניים. סיבי מחזור ו resins חייבים לעמוד מפרטים קפדניים עבור כוח, קשיחות, ויציבות תרמית. Batch-to-batch variability נשאר דאגה. Contaminants כגון צבעים, ציפויים, או סוגים של סיבים מעורבים (למשל, בתוספת פחמן זכוכית) de Quality. Achieving עקבית דורש ביצועים מתקדמים, אשר עדיין לא נפוץ.

מיון והזדהות

רוב הפסולת המורכבת היא חומר "שחור" - מבחינה ויזואלית של סיבים פחמן חד-משמעיים בשרף כהה. Hand מיון הוא בלתי-מעשי.טכניקות אוטומטיות כמו ליד- infrared (NIR) spectroscopy ו- לייזר-הפצה ספקטרום (LIBS) מפותחות, אך עדיין לא פרוסות בקנה מידה עבור שפכים מורכבים (למשל, CF.b) עם אלומיניום נוסף) מסבך מחדש.

הסמכת וגדרות סליחות

רכיבים אוויריים דורשים לעתים קרובות הוכחה חומרית קפדנית.סיבים ממוחזרים חסרים שרשרת ברורה של משמורת ממקור מקורי כדי לסיים את השימוש.גם עבור יישומים שאינם מבנים, OEM דורשים הסמכה קפדנית.סוכנות הבטיחות של התעופה האירופית (EASA) ומינהל התעופה הפדרלי (FAA) עדיין לא הוציאו הנחיות סטנדרטיות לחומרים מורכבים במטוסים.

סוף סוף-סוף של חיים מלאי תשתיות

רק כ-10-15% מהמטוסים בגמלאות פורקו כעת לצורך מחזור.רובם מאוחסנים במתקני המדבר.התאחדות תעשיות החלל האווירית מעריכה כי יותר מ-8,000 מטוסים יגיעו לסיומה עד 2030, המייצגים 50,000 טון של פסולת מורכבת ללא מערכת מתואמת לאיסוף ולתהליכים מוקדמים, שיעור המיחזור יישאר נמוך.

מיזמים בתעשייה ומקריות

כמה חברות תעופה והחלל מומחים מתקדמים באופן פעיל מחזור מורכב.

תוכניות השיקום של בואינג

בואינג משתתפת באגודת מחזורי הצי מטוסים (AFRA) ופיתחה שותפויות עם אלג פחמן פייבר ואחרים.ב-2019 בואינג ו-ElG הוכיחו בהצלחה מחזור של 787 רכיבים לרכיבי גלם חדשים עבור חלקי רכב.בואינג גם משתמש בסיבים פחמן ממוחזרים בחלק מהחבטים הפנימיים הלא-מבניים עבור 777X, מה שמוכיח כי rCF יכול לעמוד באש, עשן, עשן, וצריכת רעילה.

כלכלת Airbus Circular Economy Efforts

Airbus הציבה יעד של 100% מטוסים הניתנים למחזור עד שנת 2050.היוזמה "כלכלה מעגלית לתעופה" כוללת מתקן מחזור ייעודי בצרפת, אשר מעבד גרדטת ייצור מורכבת באמצעות pyrolysis. Airbus שיתפה פעולה עם אוניברסיטת נוטינגהאם כדי לפתח מחזור מיקרוגל עבור מקרנים thermoset. בשנת 2022, הם פתחו טייס עבור מחזור כימי של פסולת טרום-פרו, התאוששו מחדש עבור מוני מזון חדשים.

אלג פחמן פייבר

ELG (בריטניה) מפעילה את אחד ממפעלי מחזורי הפחמן המסחריים הגדולים בעולם, עיבוד של יותר מ-2,000 טון בשנה.הם משתמשים ב-pyrolysis כדי לשחזר סיבים הן מפסולת יבשה והן מתרכובות מחוספסות.הסיבים ממוחזרים נמכרים כ- להקות עיקריות, שאינם זוחלים ממוחזרים, וסיבים מקודמים המשמשים במכוניות, אנרגיה, ומבנים משניים.

2 פחמן (ארה"ב)

Gen 2 Carbon משתמש בתהליך תרמי קנייני כדי לשחזר את CFRP מאווירקל ומקורות תעשייתיים.הם שיתפו פעולה עם בואינג ו- OEM אחרים כדי לספק rCF עבור הזרקת תרכובות עובש. קו "ReCarbon" שלהם מוסמך לשימוש בחלקים פנימיים של מטוסים לא מבנים.

Composites Recycling and Technology Center (CRTC) קנדה

CRTC, המבוססת באונטריו, הוא קונסורציום מחקר המתמקד בסולבויזה עבור ביצועים גבוהים CFRP. הם הוכיחו התאוששות של סיבים פחמן רצופים עם 98% שמירה של תכונות מכניות.המרכז עובד עם aerospace OEM כדי לדרג את התהליך עבור פסולת ייצור.

כיוונים עתידיים: לקראת כלכלה מעגלית

המטרה הסופית היא ליצור מערכת סגורה, שבה מורכב אווירוקלל מעוצבים מההתחלה למחזור חיים של סוף חיים, וכאשר חומרים ממוחזרים משמשים לייצור רכיבי מטוסים חדשים.

עיצוב למחזור (DfR)

יצרנים מתחילים לבחור מערכות רזסין שקל יותר לדה-מחדש, כגון epoxies או thermoplastics. Parts נועדו עם פחות חומרים מעורבים, יותר מזרזים סטנדרטיים, ולייבל ברור למיין.הפרויקטים האירופיים נקיים Sky 2 קרנות כמו "Reinvent" אשר מפתחים מבנים מיחזור באמצעות thermoplastics.

⁇ ⁇

חוקרים מפתחים ריבינים שמקורם ב- lignin, Chitosan, ומקורות מתחדשים אחרים שיכולים להיות ממוחזרים מבחינה כימית או ממוסיפים בתנאים מבוקרים.

מיון אוטומטי וקידום

מערכות ראייה מונעות רובוטיות, וסורקים NIR יאפשרו הפרדה יעילה של סוגים מורכבים והסרת זיהום.מספר פרויקטים של מחקר אירופי (למשל, REPAIR, INFACT) מפתחים מערכות אוטומטיות עבור מטוסים מדמיעת כי יכול להאכיל פסולת מורכבת ישירות לתוך קווי מחזור.

נתיבי הסמכה לחומרים ממוחזרים

גופי סטנדרטיזציה כמו ASTM מפתחים שיטות מבחן עבור סיבים פחמן ממוחזר (למשל, ASTM D7894) ו הרגולטורים עובדים על גישות "חלקות שוויון" המאפשרות ל- rCF להיות בשימוש באפליקציות מורשת אם זה פוגש את אותם תכונות פיזיות כמו חומר בתולה.

שילוב עם ייצור תוספתי

סיבים פחמן ממוחזרים יכולים להיות מורכבים ל filament עבור הדפסה תלת-ממדית.בואינג כבר בדק כלים מודפסים תלת-ממדיים באמצעות rCF. זה מאפשר חלקי תיקון לפי דרישה באמצעות חומר ממוחזר, צמצום עלויות פסולת ולוגיסטיקה.

מסקנה

מחזור חומרים מורכבים בתחום התעופה אינו רק אפשרי אלא חיוני לקיימות ארוכת הטווח של התעשייה.עם התקדמות במחזור תרמי, כימי ומכני, יחד עם שיתוף פעולה בתעשייה ולחץ רגולטורי גובר, החסמים לאימוץ נרחב נופלים בהדרגה.המעבר ממודל "לקחת-דיסק" לכלכלת מעגלית לביצועים גבוהים ידרוש המשך, שיתופי פעולה ואספקה מתקדמת, כמו גם ממודל מדיניות ריבונית, אשר תרחיב את הסוללות הסביבתיות, רק למהנדסים.