บางกว่าเส้นผม! จีนพัฒนา ‘เหล็กฉีกด้วยมือ’ เพิ่มประสิทธิภาพรถยนต์ไฟฟ้า

เมื่อวันที่ 4 พฤศจิกายน China Xinhua News รายงานว่า คณะนักวิจัยประจำสถาบันวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีวัสดุแห่งตงก่วน สังกัดสถาบันบัณฑิตวิทยาศาสตร์แห่งชาติจีน ในมณฑลกว่างตง (กวางตุ้ง) ทางตอนใต้ของจีน ได้พัฒนาโลหะที่พวกเขาเรียกว่า “เหล็กฉีกด้วยมือ” (hand-tearable steel) เนื่องจากเป็นวัสดุที่มีความบางและน้ำหนักเบามากจนสามารถใช้มือฉีกให้ขาดเหมือนแผ่นกระดาษ

วัสดุนี้เป็นหัวใจสำคัญของควาร์ก (Quark) ระบบขับเคลื่อนพลังงานไฟฟ้าที่พัฒนาโดยบริษัท กว่างโจว ออโตโมบิล กรุ๊ป จำกัด (GAC Group) ผู้ผลิตยานยนต์ของจีน เนื่องจากช่วยให้ระบบดังกล่าวมีประสิทธิภาพสูงสุดถึงร้อยละ 99 และสนับสนุนคำกล่าวอ้างที่ว่ารถยนต์แบรนด์จีเอซี ไอออน (GAC Aion) สามรุ่นใหม่สามารถวิ่งได้ไกลขึ้นหนึ่งกิโลเมตรในทุก 1 กิโลวัตต์ชั่วโมง

อนึ่ง วัสดุนี้เป็นที่รู้จักทั่วไปในฐานะเมทัลลิกกลาส (metallic glass) หรือโลหะผสมอสัณฐาน (amorphous alloy) ในทางวิทยาศาสตร์ ซึ่งมีคุณสมบัติโดดเด่นระดับปฏิวัติวงการที่เกิดจากการจัดเรียงตัวของอะตอมภายในวัสดุนี้

โจวจิ้ง นักวิจัยร่วมประจำสถาบันฯ อธิบายว่าเหล็กซิลิคอนทั่วไปเป็นวัสดุผลึกที่มีการเรียงตัวของอะตอมอย่างเป็นระเบียบเหมือนนักเรียนเข้าแถว แต่โลหะผสมอสัณฐานผลิตขึ้นด้วยกระบวนการหล่อเย็นอย่างรวดเร็วสุดขั้ว โดยให้ความร้อนสูงถึง 1,300 องศาเซลเซียสแก่โลหะผสมและทำให้เย็นลงในทันที อะตอมจึงไม่มีเวลาจัดเรียงตัวเป็นผลึกและถูกตรึงอย่างไม่เป็นระเบียบ

อย่างไรก็ดี โครงสร้างอะตอมที่ไม่เป็นระเบียบดังกล่าวมอบคุณสมบัติอันโดดเด่น ทำให้แผ่นโลหะผสมอสัณฐานมีความหนาเพียง 0.025 มิลลิเมตร หรือราว 1 ใน 5 ของเส้นผ่านศูนย์กลางเส้นผมมนุษย์ และ 1 ใน 10 ของความหนาของแผ่นเหล็กซิลิคอนทั่วไป

โลหะผสมอสัณฐานจัดอยู่ในกลุ่มวัสดุแม่เหล็กอ่อนประสิทธิภาพสูงที่ใช้ผลิตแกนมอเตอร์ โดยยิ่งวัสดุมีความบางมากเท่าใด การสูญเสียพลังงานจากกระแสไหลวนจะยิ่งลดลง ซึ่งการสูญเสียพลังงานดังกล่าวเกิดจากความร้อนที่เกิดขึ้นเมื่อสนามแม่เหล็กเหนี่ยวนำให้เกิดกระแสไฟฟ้าภายในแกนมอเตอร์

โจวระบุว่ามอเตอร์ทั่วไป เมื่อป้อนกระแสไฟฟ้าเข้าไป 100 หน่วย จะมีพลังงานบางส่วนสูญเสียไปในรูปของความร้อน แต่มอเตอร์ที่ใช้โลหะผสมอสัณฐานสูญเสียพลังงานเพียง 1 หน่วย ส่วนที่เหลืออีกร้อยละ 99 ถูกเปลี่ยนเป็นแรงขับเคลื่อนจริง แต่การนำคุณสมบัติที่เกิดขึ้นในห้องปฏิบัติการไปพัฒนาเป็นวัสดุที่สามารถใช้ในการผลิตยานยนต์จำนวนมากนั้นไม่ใช่เรื่องง่าย

การติดตั้งวัสดุอสัณฐานในยานยนต์หมายความว่าวัสดุต้องสามารถทนต่อแรงสั่นสะเทือนหลายสิบล้านครั้ง การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิจากสูงไปต่ำหลายพันรอบ และทำงานได้อย่างเสถียรเป็นเวลานานกว่า 10 ปี

แกนมอเตอร์ที่ทำจากเหล็กซิลิคอนทั่วไปใช้แผ่นวัสดุซ้อนกันเพียง 384 ชั้น ขณะแกนมอเตอร์จากโลหะผสมอสัณฐานต้องใช้เกือบ 3,800 ชั้น หรือมากกว่าเกือบ 10 เท่า โดยแต่ละชั้นมีความบางกว่าแถบกระดาษ แต่มีความทนทานมากกว่าเหล็กซิลิคอนทั่วไปอย่างมีนัยสำคัญ และเนื่องจากวัสดุมีความแข็งมากกว่าเกือบ 5 เท่า กระบวนการปั๊มขึ้นรูปแบบทั่วไปจึงไม่เหมาะสม เพราะความคลาดเคลื่อนเพียงเล็กน้อยสามารถส่งผลต่อคุณภาพของแกนมอเตอร์ที่ผลิตเสร็จแล้วได้

เพื่อก้าวข้ามอุปสรรคเหล่านี้ คณะนักวิจัยประจำสถาบันฯ และกว่างโจว ออโตโมบิล กรุ๊ป ได้ร่วมกันพัฒนาชุดสายการผลิตเฉพาะทางที่ครอบคลุมกระบวนการปั๊มขึ้นรูป การซ้อนแผ่นวัสดุอย่างแม่นยำ และการอบชุบด้วยความร้อน เพื่อเปลี่ยนตัวอย่างวัสดุขนาดเล็กจากห้องปฏิบัติการให้กลายเป็นชิ้นส่วนยานยนต์ที่ได้มาตรฐานและสามารถผลิตในปริมาณมากได้

ขณะเดียวกันมีการบูรณาการปัญญาประดิษฐ์ (AI) เข้าสู่กระบวนการทั้งหมด ตั้งแต่ออกแบบส่วนประกอบวัสดุ คาดการณ์สมรรถนะ ปรับปรุงกระบวนการ จนถึงติดตั้งสายการผลิต โดยเทคโนโลยีที่พัฒนาใหม่นี้ช่วยลดความจำเป็นในการทดลองซ้ำหลายครั้งระหว่างการวิจัยและพัฒนา ทำให้สามารถพัฒนาวัสดุจากห้องปฏิบัติการไปสู่การผลิตที่มีเสถียรภาพและการส่งมอบเป็นล็อตได้รวดเร็วยิ่งขึ้น

ก่อนหน้านี้เมื่อเดือนสิงหาคม สถาบันฯ และหน่วยธุรกิจระบบส่งกำลังของกว่างโจว ออโตโมบิล กรุ๊ป ได้ลงนามข้อตกลงความร่วมมือเชิงกลยุทธ์ ขณะที่รถยนต์แบรนด์จีเอซี ไอออน ที่ติดตั้งระบบขับเคลื่อนไฟฟ้าแบบใช้โลหะผสมอสัณฐาน จำนวน 3 รุ่น ได้ทยอยเปิดตัวจนถึงเดือนกันยายน ซึ่งนับเป็นการเปลี่ยนผ่านเทคโนโลยีจากการวิจัยและพัฒนาร่วมกันไปสู่การประยุกต์ใช้ขนานใหญ่

ทั้งนี้ ผลการทดสอบยานยนต์พบว่าการสูญเสียพลังงานในแกนมอเตอร์ลดลงร้อยละ 50 และมีประสิทธิภาพสูงสุดถึงร้อยละ 99 ส่วนการทดสอบภายใต้สภาพการเดินทางจริงของครอบครัวบนทางด่วนวงแหวนในมณฑลไห่หนาน (ไหหลำ) ทางตอนใต้ของจีน พบว่ายานยนต์มีอัตราการใช้ไฟฟ้าต่ำสุดเพียง 8.571 กิโลวัตต์ชั่วโมงต่อระยะทาง 100 กิโลเมตร