Włókna naturalne alternatywą dla włókien węglowych w F1

McLaren prowadzi eksperymenty z włóknami naturalnymi. Mają już gotowy fotel wyścigowy wykonany w całości z takiego materiału. W bliskiej przyszłości coraz więcej elementów bolidów F1 może być wytwarzana z naturalnych włókien kompozytowych, a nie z węglowych jak obecnie.

Ten cały tekst jest w dużym stopniu skrótem długiego artykułu jaki zespół McLaren opublikował na swojej stronie internetowej. Możecie go znaleźć w oryginale pod tym linkiem, dodałem także kilka dodatkowych informacji od siebie. Spotkałem się już wcześniej z informacjami na temat testowania naturalnych włókien kompozytowych przez zespoły Formuły 1, ale wydaje mi się że McLaren jest pierwszą stajnią która pochwaliła się konkretnym efektem prac, który dodatkowo przetestowali już na torze. W swoim tekście zapowiadają również szersze wykorzystanie takich włókien w bliskiej przyszłości bezpośrednio w konstrukcji bolidów F1 i nie tylko.

McLaren był pierwszym zespołem F1, który wprowadził do Formuły 1 monokok zbudowany z włókna węglowego w modelu MP4/1 w 1981 roku. To był bardzo duży przełom w F1 i ogólnie w sportach motorowych. Obecnie konstrukcja monokoków z włókna węglowego to standard w sportach motorowych. Dodatkowo około 70% masy strukturalnej współczesnego samochodu F1 stanowi włókno węglowe.

Fotel do bolidu F1 z włókien naturalnych kompozytowych

McLaren nawiązał współpracę ze szwajcarską firmą Bcomp, która specjalizuje się w kompozytach wykonywanych z włókien naturalnych. Jej produkty są coraz szerzej wykorzystywane w branży motoryzacyjnej i nie tylko. Efektem tej współpracy jest fotel wyścigowy dla bolidu F1 wykonany w całości z włókien naturalnych. Fotel spełnia wszystkie wymogi dotyczące wytrzymałości i sztywności, a jednocześnie jego wytworzenie wygenerowało o 75% mniej CO2 niż tradycyjny fotel z włókien węglowych. Na zdjęciu tytułowym tego tekstu możecie zobaczyć porównanie dwóch foteli: po lewej jest wykonany z włókna węglowego, a po prawej z włókien naturalnych.

Wybrano fotel wyścigowy jako pierwszą rzecz do wytworzenia w całości z kompozytów z włókien naturalnych ze względów regulaminowych. Obecnie kierowca wraz z fotelem musi ważyć minimum 80 kg. Jeżeli ważą mniej, to bezpośrednio pod fotelem montuje się dodatkowy balast. Carlos Sainz i Lando Norris ważą odpowiednio 72 i 68 kg, dlatego McLaren wykorzystuje obecnie ten balast. Przygotowanie fotela z włókien naturalnych było więc bezpieczne, bo nawet jeśli ważyłby on więcej niż obecny wykonany z włókna węglowego, to nie wpłynęłoby to negatywnie na osiągi samochodu, bo po prostu ograniczyliby balast. Mogli więc w razie potrzeby wykorzystać dodatkowe warstwy kompozytu z włókien naturalnych.

Firma Bcomp przeanalizowała dokładnie istniejący projekt fotela z włókna węglowego, a następnie przygotowała nieco zmodyfikowany fotel w całości z włókien naturalnych. Fotel ten był testowany podczas tegorocznych testów przedsezonowych w lutym na torze pod Barceloną. Nie było z nim żadnych problemów i są szanse, że bliskiej przyszłości będą korzystać z takich foteli podczas wyścigów. McLaren w swoim artykule nie podał konkretnej informacji jaka jest różnica w wadze obu foteli. Wiemy tylko, że fotel z włókien naturalnych będzie tańszy, ograniczy wibracje, a jego wytworzenie o 75% ogranicza ślad węglowy.

Włókna naturalne powstają z lnu

Włókna naturalne produkowane przez firmę Bcomp powstają z lnu, który jest bardzo popularną i wykorzystywaną od tysięcy lat przez ludzi rośliną. Len na potrzeby kompozytów jest uprawiany razem z uprawami spożywczymi, nie ma tutaj przeciwwskazań. Jego wytworzenie jest neutralne pod względem emisji CO2, a on sam w pełni biodegradowalny. Dlatego to idealny materiał do produkcji kompozytów z włókien naturalnych, w tym wypadku lnianych. Rurowa struktura włókien lnianych zapewnia niską gęstość i wysoką sztywność, co umożliwia zmniejszenie ciężaru przy jednoczesnej poprawie tłumienia drgań, a także odporności na pękanie, skręcanie i ściskanie. Włókna lniane są o 9% lżejsze niż jakikolwiek inny równoważny materiał węglowy i oferują znacznie lepsze tłumienie drgań. Dzięki zastosowaniu lnianej tkaniny ampliTex™ i technologii powerRibs™ firmy Bcomp, powstałe elementy z kompozytów pięć razy lepiej tłumią drgania w porównaniu do standardowych kompozytów z włókiem węglowych. Z tego powodu kierowca siedzący w fotelu wykonanym z włókien naturalnych powinien mieć lepszy komfort jazdy dzięki zmniejszonym wibracjom w kokpicie.

Mniej potencjalnych odłamków

Włókna naturalne nie są tak podatne na pękanie i powstawanie odłamków jak włókna węglowe. Dodatkowo włókna firmy Bcomp przy wykorzystaniu ich materiałów i technologii usztywniają dany element oraz ograniczają strefę uszkodzenia. W razie pęknięcia wytworzonych w ten sposób elementów, to część odłamków pozostaje wciąż przymocowana do głównej struktury.

Odłamki z włóka węglowego, które pozostają na torze to jeden z problemów z jakimi zmaga się Formuła 1 i ogólnie sporty motorowe. Dlatego w planach regulacji technicznych na sezon 2022 jest mowa o tym, że trwają prace nad powłoką na komponenty najbardziej narażone na uszkodzenia. Sama konstrukcja przedniego skrzydła na 2022 rok ma ograniczyć potencjalną liczbę odłamków w razie kontaktu, a całe skrzydło ma być bardziej wytrzymałe. Dlatego wydaje się, że zastosowanie kompozytów z włókien naturalnych w elementach aerodynamicznych, które są najbardziej narażone na uszkodzenia byłoby bardzo pozytywne. To obszar gdzie powinny być prowadzone kolejne testy.

Włókna naturalne powinny obniżyć koszty w F1

Testowanie kompozytów wykonanych z włókien naturalnych jest również ważne pod względem finansowym. Od 2021 roku i wprowadzenia limitów budżetowych, zespoły F1 będą o wiele uważniej zwracały uwagę na swoje wydatki. Obecnie znaczącym składnikiem corocznych wydatków zespołów F1 są koszty zakupu materiałów. Z artykułu opublikowanego na stronie McLarena wynika, że włókna naturalne powstałe przy wykorzystaniu technologii firmy Bcomp mogą aż o 30% ograniczyć koszty materiału w stosunku do włókien węglowych. Jeżeli prototypowe komponenty wytworzone z włókien naturalnych będą takiej jakości jak ich odpowiedniki z włókien węglowych, to możemy spodziewać się ich szerokiego wykorzystania w Formule 1.

Włókna naturalne powoli wchodzą do Formuły 1

Współzałożyciel i dyrektor generalny firmy Bcomp Christian Fischer uważa, że wykorzystanie włókien naturalnych w Formule 1 ma duży potencjał w w konstrukcji pół-strukturalnych elementów jak fotele, a także poza samym samochodem. Przy odpowiednim wykorzystaniu włókien lnianych uda się wytwarzać lżejsze i tańsze elementy niż dotychczas, które pozwolą utrzymać a nawet polepszyć osiągi. Włókna naturalne mają być także idealne do przygotowywania form do produkcji części. Obecnie takie formy są robione z włókien węglowych, które mają niską rozszerzalność cieplną. Naturalne włókna lniane mają takie same właściwości, więc będą mogły zostać wprowadzone w takim celu. To pozwoli obniżyć koszty jak również zmniejszyć ślad węglowy.

Andreas Seidl powiedział, że przygotowanie fotela wyścigowego z kompozytu z włókna naturalnego to dopiero początek wykorzystywania tego materiału. Będą identyfikować inne elementy bolidu, które można wykonać z tego materiału zamiast z włókna węglowego. Nie ma jednej metody, która jest idealna, dlatego trzeba stopniowo znajdywać sposoby na poprawę wydajności i zmniejszenia wpływu na środowisko.

P.S. Trzy lata temu pisałem na blogu o tym, że drukarki 3D bardzo zyskały na znaczeniu w zespołach F1. Zainteresowani tematem mogą przeczytać ten artykuł pod tym linkiem. Włókna węglowe wciąż dominują wśród materiałów z których powstają elementów samochodów Formuły 1, ale nie ma gwarancji że tak pozostanie w kolejnych latach. Postęp technologii cały czas postępuje w różnych dziedzinach i pojawiają się nowe materiały. Mamy wspomniane w tym tekście włókna naturalne, a potencjalnie w dalszej przyszłości może zostać wprowadzony grafen.

Aktualizacja 29.07.2021. Rok później McLaren wykorzystał po raz pierwszy fotele kierowców wykonane z włókien naturalnych podczas wyścigu. Debiut nastąpił w GP Wielkiej Brytanii 2021. Zespół wykorzystuje je obecnie również w konstrukcji elementów wyposażenia garażu i planuje szersze wykorzystanie w samochodach. Więcej szczegółów na stronie internetowej zespołu.

Jestem laikiem jeśli chodzi o takie techniczne sprawy, które opisałem w tekście. Dlatego jeżeli ktoś zauważył błędy i ma konstruktywne uwagi, to zachęcam do pisania ich w komentarzach.