Por que a fibra de carbono é tão cara?

Quando a fibra de carbono foi introduzida ao mundo, em motores de foguete e tanques de guerrana década de 60, ela estava fadada a dominar não apenas a fibra de vidro, mas toda uma outra gama de materiais. O que aconteceu?

Cinquenta anos depois, ela ainda é um material exótico. Ela está no uniforme do Batman e nas partes de alto desempenho e nos painéis de carros caros, mas, custando 10 dólares por libra, ainda é muito cara para uso em massa. Mas nós estamos usando esse negócio há décadas. Cadê a Lei de Moore para baratear o custo? Por que ainda é tão caro?

Acontece que, mesmo depois de meio século, continua sendo um saco produzir esse negócio.

Antes que a fibra de carbono se torne fibra de carbono, ela começa como um material de base — geralmente um polímero orgânico com átomos de carbono ligando longos fios de moléculas, chamado poliacrilonitrila. É uma palavra grandona para um material similar aos acrílicos em carpetes e malhas. Mas, diferente do material que se transforma em roupas e coisas para se estender no chão, o material que se transforma em algo mais leve e resistente que o aço custa bem mais. Um preço inicial de mais ou menos três dólares por libra não é tão assustador, mas a coisa logo se expande.

Para se chegar à parte de carbono da fibra de carbono, metade do acrílico do material inicial precisa ser eliminado. “O produto final vai custar o dobro do preço inicial, já que você queima a metade”, explica Bob Norris, do grupo de matrizes compostas de polímeros do Oak Ridge National Laboratory. “Antes mesmo de considerar os custos de energia e equipamentos, o precursor no produto final é algo próximo de 5 dólares por libra”.

Este preço — US$ 5 por libra — é também o número mágico para conseguir colocar a fibra de carbono nas principais aplicações automotivas. Até sete é possível, mas cinco é melhor. Até aqui, só o material base já estourou o orçamento.

Mas não para por aí. Forçar o acrílico a se soltar de seus átomos não-carbônicos exige máquinas monstruosas e gera muito calor. O primeiro dos dois principais passos no processamento é a estabilização de oxidação. Aqui, as fibras passam continuamente por fornos de 15 a 30 metros de comprimento, aquecidos a temperaturas de centenas de graus Celsius. O processo leva horas, sendo um enorme gasto de energia.

Então o material passa pelo processo chamado carbonização. Apesar das fornalhas aqui serem menores e menos longas, elas operam em temperaturas muito mais altas — estamos falando de cerca de 1000 graus Ceulsius para o passo inicial, e depois outra rodada de aquecimento a temperaturas ainda mais altas. Você não quer nem pensar no tamanho dessa conta de energia.

E tem mais. Os fabricantes ainda têm que lidar com o acrílico que não segura durante o processo de aquecimento. Gases precisam ser tratados para não causar danos para o meio ambiente. Não é fácil ser ecológico. “É muita energia, muito espaço físico ocupado e muitos equipamentos enormes”, diz Norris. E até aqui estamos falando apenas da fabricação das fibras individuais.

Pare um pouquinho para pensar em onde estamos no processo de fabricação, comparado a onde queremos chegar. Aquele painel com visual incrível, de trançado visível, resistente como uma rocha e levíssimo é o que você imagina quando pensa em fibra de carbono, não é? Bem, até agora nós só fizemos os fios. Ainda temos que moldá-los num entrelaçado que junte tudo e se beneficie da resistência unidirecional do material.

Para fazer a coisa certa, é necessário ter certeza que todos os fios estão fazendo a sua parte. “É preciso se preocupar se as fibras estão todas paralelas e igualmente esticadas”, explica Rob Klawonn, presidente da fábica de fibra de carbono Toho Tenax America. Um fio ondulado em um entrelaçado de fios faz com que o fio esticado mais próximo tenha que se esforçar mais, e este fio reto vai acabar se quebrando antes. Para compensar a possibilidade de existir um entrelaçado imperfeito, os fabricantes podem incluir dez por cento a mais de fibras do que o necessário, apesar do incremento no preço.

Sozinhos, porém, estes entrelaçados não são o material forte que os fabricantes precisam. Eles são um reforço, da mesma forma que o aço é um reforço para o concreto. Atualmente, a fibra de carbono funciona em conjunto com uma resina termofixa. Juntos, eles formam um composto que pode ser manipulado para assumir um determinado formato. O problema é que, depois de moldada e curada em uma autoclave, é impossível modificar o formato sem prejudicar a integridade estrutural do produto. Um pequeno erro pode significar um desperdício grande — inclusive de tempo. A termofixação demora cerca de uma hora, um tempo longo considerando quanto demora para a indústria automotiva fazer os painéis.

Por isso, não basta uma pequena modificação ou melhoria para jogar a fibra de carbono em uma faixa de preço mais baixa. É preciso uma revolução completa no sistema de fabricação. Mas, sendo isso algo com um prospecto de retorno financeiro tão alto, a indústria está se mexendo.

Aqueles acrílicos tipo malha, por exemplo, podem ser usados no lugar dos que os fabricantes usam hoje. “O equipamento é menos especializado, por isso o custo do precursor pode ser cortado de 20 a 30 por cento”, diz Norris. Eles também estão investigando starters renováveis como a lignina, que vem da madeira, em vez das coisas baseadas em petróleo que são usadas hoje.

Processos de conversão alternativos — principalmente substituir aquecimento térmico por plasma — também poderiam diminuir os custos. “Isso cortaria o tempo gasto porque não seria mais necessário aquecer a fornalha inteira; você apenas geraria plasma o bastante para cercar os filamentos”, explica Norris.

E os cientistas também ainda não acertaram na mosca o processo químico para fazer a fibra de carbono funcionar com resinas termoplásticas. Mas, quando conseguirem, Klawonn prevê uma redução de 60-70% no custo do processo de conversão. A grande mudança é que os termoplásticos são rápidos para fixar e podem ser derretidos diversas vezes, o que permite correções, fazendo com que não seja mais necessário jogar tudo fora quando há um erro.

A mudança está no horizonte. Norris observa que a fibra de carbono foi instalada no lugar no alumínio em novas aeronaves como a Airbus A380. “Ela está se tornando mais presente, mas até agora apenas em indústrias que podem fazer investimentos em performance”. Vamos apenas esperar que os custos caiam antes das indústrias que estão esperando por essa queda.

by Gizmodo