Возможности использования древесных экоматериалов в конструктивных элементах общепланетарного транспортного средства Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 67.03

Возможности использования древесных экоматериалов в конструктивных элементах общепланетарного транспортного средства

99

Уделено внимание древесине как экоматериалу, который можно задействовать на объектах, входящих в состав общепланетарного транспортного средства (ОТС). На основании литературных источников приведены возможные варианты применения древесины, а также проанализированы её характеристики по отношению к другим наиболее распространённым материалам. В качестве сравнительной оценки влияния материалов на окружающую среду предложено ввести коэффициент эконаправленности, который зависит от их свойств. Исходя из представленных критериев, показана экологическая эффективность использования древесных экоматериалов при строительстве объектов ОТС. Определены направления дальнейшего развития технологий получения на основе древесины новых материалов, позволяющих повысить эконаправленность эксплуатации ОТС в целом.

Ключевые слова:

древесина, экоматериал, эконаправленность, общепланетарное транспортное средство (ОТС), жизненный цикл, критерий оценки, биоволокно.

Гаранин В.Н.

Белорусский государственный технологический университет, г. Минск, Беларусь

ЗАО «Струнные технологии», г. Минск, Беларусь

Введение

В связи с ростом населения Земли и, как следствие, повышением уровня потребления, приводящим к образованию большого количества отходов, сегодня остро стоит вопрос об эффективном расходовании имеющихся ресурсов при производстве продукции. Эффективность в этом случае следует рассматривать с точки зрения минимального воздействия на окружающую среду. Разработка общепланетарного транспортного средства (ОТС) не является в данном контексте исключением. При строительстве объектов ОТС применимы различные виды материалов (металлы, композиционные синтетические и керамические материалы), при использовании которых отмечается разная степень нагрузки на природу. В основе идеи реализации ОТС находится эконаправленная концепция [1], базирующаяся на суммарном снижении вредного воздействия на нашу планету на всех стадиях жизненного цикла ОТС: создания, эксплуатации и утилизации. В настоящее время эконаправленность ОТС ориентирована на эксплуатационный компонент, который предполагает задействование материалов, позволяющих снизить потребление ресурсов при функционировании объектов ОТС. В качестве примера необходимо указать на предпочтение в выборе материалов, имеющих минимальный удельный вес, а также способных выдерживать возникающие нагрузки и при этом затрачивать оптимальное количество энергии. Однако из-за акцента на эксплуатационную составляющую экологичности ОТС меньше внимания обращается на другие аспекты: эконаправленность при создании и утилизации применяемых в ОТС материалов. Снижение веса изделий для уменьшения потребляемой энергии - только часть общей эконаправ-ленности ОТС, практически не затрагивающая утилизацию расходуемого материала и не отражающая отрицательное влияние на окружающую среду в процессе производства.

Проблема эконаправленности при реализации ОТС обусловлена обязательным использованием материалов, процесс получения которых не наносит вреда живой природе. С экологической точки зрения не рационально включение сплавов алюминия в гондолы ОТС, поскольку для получения данного химического соединения необходимы затраты большого количества ресурсов Земли (в частности, 1 кг алюминия требует около 16 кВт-ч энергии, а 1 кг стали -9 кВт-ч). В настоящий период разрабатываются материалы, которые на стадии выпуска не оказывают неблагоприятного воздействия на экологическую обстановку. Вторичное задействование отходов является одним из примеров эконаправленности создания материалов, которые можно применять и при изготовлении объектов ОТС. Важно также

отметить материалы природного происхождения: основная часть стадий их получения совершается в окружающей среде, т. е. естественным образом.

В свою очередь экологический вопрос при утилизации ОТС состоит в необходимости задействования в производственном процессе материалов, уничтожение которых не приводит к загрязнению природы. Так, большинство синтетических соединений в конструкциях ОТС способствует значительному снижению веса объектов, однако утилизация на Земле искусственных компонентов из-за недостаточного развития соответствующих технологий становится причиной образования существенного количества отходов. В данном случае выдвинутым условиям отвечают материалы, утилизируемые в среде обитания человека (кожа, натуральные ткани, древесина).

Таким образом, экоориентированность всех объектов ОТС требует серьёзного подхода к выбору материалов с учётом их полного жизненного цикла: на стадиях изготовления, эксплуатации и утилизации.

В настоящей работе прежде всего сделан акцент на обосновании оптимального сырья для создания объектов ОТС с точки зрения полной эконаправленности, позволяющей выполнить сравнительную оценку различных материалов под углом влияния на окружающую среду. Предложено обратить особое внимание на древесину и материалы на её основе, отличающиеся экологичностью от остальных продуктов (кожи, натуральных тканей, грибов) в первую очередь своими физико-механическими свойствами [2]. Благодаря подобным качествам древесина широко применяется в мебельной сфере и строительстве. Древесный экоматериал предпочтителен в конструкциях гондол ОТС, на производство которых ежегодно понадобится около 0,01 млн тонн древесины. Данная цифра определена исходя из общей массы требуемых материалов для ОТС (30 млн тонн) [3], среднего срока амортизации объектов ОТС (30 лет) и процентного соотношения количества древесины (1 %) к общему объёму материалов в ОТС. Учитывая, что ежегодный прирост древесины на Земле составляет около 6 млрд тонн [4], цифра в 0,01 млн тонн не окажет существенного влияния на масштаб вырубки леса при строительстве ОТС.

Обзор литературы

Древесина как уникальный материал вызывает интерес у многих учёных. Её с уверенностью называют экоматериалом, поскольку процессы получения и утилизации данного сырья происходят с минимальным воздействием на окружающую среду. В научных исследованиях

подчёркиваются полезные характеристики древесины, которые можно расширить посредством внедрения различных технологий. В [5, 6] представлено развитие её оптических параметров, в [7] анализируется возможность придания ей магнитных свойств. Подобные особенности древесного материала образуются благодаря использованию специальных пропиток, которые, как и он сам, не должны наносить вред природе. Например, для повышения огнестойкости древесины разработан специальный спиртовой состав [8]; с его помощью снижается один из недостатков древесины - горючесть. Магнитные свойства рассматриваемого экоматериала применимы в подвесных устройствах транспортных средств ОТС в качестве элемента магнитного, магнитожидкостного подвеса или направляющей.

Как конструкционный материал древесина выделяется на фоне иных экоматериалов (кожи, натуральных тканей и др.). Её можно задействовать в роли каркаса для насыщения различными материалами [9]. Соответственно, появляется возможность получать на основе древесины новое экосырьё (древесно-минеральное и древесно-металли-ческое), оптимально подходящее для конструирования отдельных узлов ОТС.

Развитие современных нанотехнологий затрагивает и древесину. Данный материал рассматривается как объект аккумулирования и передачи энергии с применением биоволокон [5]. Поступает всё больше информации о полезных свойствах биоволокон древесного компонента (рисунок 1) в целях создания различных материалов [10, 11].

Древесину многие учёные уже считают не только конструкционным сырьём, но и материалом, с помощью которого можно очищать окружающую среду. Данному направлению уделено внимание в работе [12], где описаны технологии очистки воды посредством древесных волокон.

В [13] анализируется древесина в качестве проводника воды: изучены характеристики волокон, которые должны пропускать воду (аналогично движению воды в дереве от корней к листьям). Таким образом, водопроводящие особенности древесины можно учитывать при создании фильтров в ОТС для очистки и подачи жидкостей в различные комплексы, в том числе системы жизнеобеспечения.

С каждым днём используется всё больше материалов на основе древесины, однако до сих пор в их состав входит синтетическое сырьё, которое значительно ухудшает экологические свойства древесных продуктов. Так, в [14] представлена мебельная промышленность, где древесина имеет существенный спрос и её утилизация является важным этапом процесса, поскольку потребление мебели с каждым годом возрастает. При создании объектов ОТС необходимо учитывать серьёзные последствия развития мебельной отрасли: организация её вредных производств и широкое внедрение синтетических материалов привели к проблемам с окружающей средой. Для решения экологических вопросов, возникающих при создании изделий из древесины, в [15, 16] предложено в технологический процесс включать повторно древесные материалы, содержащие токсичные компоненты, тем самым уменьшая попадание вредных веществ на полигоны отходов. При этом в исследовании [17] идёт речь о применении более экологически чистых клеёв для изготовления древесных материалов.

На основании изученной информации можно сделать вывод, что создание древесных экоматериалов и их масштабное использование при строительстве ОТС будут способствовать повышению уровня экоориентированности при эксплуатации и утилизации объектов геокосмического транспортно-инфраструктурного комплекса (рисунок 2).

Рисунок 1 - Биоволокно древесины (варианты)

Пользователь

Деревообработка

Измельчение

Лес

Получение энергии

Рисунок 2 - Древесина как экоматериал при строительстве объектов ОТС

Данный подход - общемировая тенденция в развитии технологий, позволяющая в будущем рационально расходовать ресурсы для обеспечения жизни большого количества людей. Соответствующий вывод представлен в виде схемы (рисунок 3). Отметим, что на рисунке 3 дан не полный перечень экоматериалов, получаемых из древесины для использования

в элементах конструкции ОТС. Систематизированы только представленные для исследования материалы. На основании изученных работ важно обратить внимание на то, что физико-механические, химические и другие свойства древесины можно значительно улучшить, тем самым расширив её применение.

Рисунок 3 - Получение экоматериалов на основе древесины

Описание метода

Экоориентированность включения различных материалов в конструктивные элементы ОТС предложено рассматривать с точки зрения создания материалов, их эксплуатации и утилизации, таким образом анализируя весь жизненный цикл объектов ОТС. Данный подход схематично показан на рисунке 4.

Рисунок 4 - Схема этапов жизненного цикла экоматериала

Для сравнительного анализа различного сырья применяется коэффициент эконаправленности материала (К), равный сумме коэффициентов эконаправленности материала этапов создания (К), эксплуатации (К2) и утилизации (К3), т. е. определяемый по зависимости (1):

К= К + К + К

(1)

В качестве критериев оценки эконаправленности различных материалов для каждого этапа необходимо рассчитывать свой коэффициент К, зависящий от их физико-механических свойств.

Для этапа создания материалов главным критерием следует считать стоимость единицы материала, которая отражает все ресурсы, затрачиваемые на его изготовление. Коэффициент К определяется по зависимости (2):

к

1 с

(2)

где С - стоимость единицы массы материала, USD;

Сб - стоимость единицы массы базового материала, USD; о - допустимое напряжение сжатия материала, Па; об - допустимое напряжение сжатия базового материала, Па.

Для этапа эксплуатации материала основной критерий - удельный вес материала, способного выдерживать

заданные нагрузки. В качестве базовой характеристики предлагается использовать напряжение сжатия о как параметр, влияющий на расчётные данные элементов конструкций ОТС [3]. Коэффициент К2 определяется по зависимости (3):

K =

Ув°'

(3)

где Y - удельный вес материала, кг/м3;

Y6 - удельный вес базового материала, кг/м3.

Для этапа утилизации критерий оценки эконаправленности - стоимость доведения сырья до состояния исходного материала (разница стоимости материала и вторичного сырья), а также время эксплуатации изделия. Коэффициент К3 определяется по зависимости (4):

K =

(с-ф6 (CrCjr

(4)

где Сс - стоимость вторичного сырья для материала, USD;

Ссб. - стоимость вторичного сырья для базового материала, USD;

Т- срок службы материала, лет;

Тб - срок службы базового материала, лет.

Указанные коэффициенты будут характеризовать степень экологичности сырья, квалифицируя его влияние на окружающую среду: чем выше коэффициент, тем большее воздействие на природу оказывает материал.

Результаты и анализ

Автором изучены несколько наиболее распространённых материалов (древесина, сталь, сплав алюминия, бетон, стекло и композиционный материал (стеклопластик)), которые имеют показатели, позволяющие оценить только их относительные характеристики (таблица).

В качестве базового сырья принята древесина как ключевой объект настоящего исследования. Входные параметры на основании открытых источников могут варьироваться. Однако главная цель работы - рассмотреть методику сравнения и оценить эконаправленность материалов на разных стадиях жизненного цикла изделий ОТС.

Таблица - Сравнительные данные по материалам

Материал Характеристика""^""——— Древесина Сталь Сплав алюминия Бетон (М300) Стекло Стеклопластик

Стоимость 1 кг, USD 1,2 4 4,4 1,2 0,8 2,8

Допустимое напряжение сжатия, МПа 10 160 40 25 25 65

Удельный вес, кг/м3 500 7800 2700 2400 2500 1800

Срок службы изделия, лет 25 50 50 50 40 30

Стоимость 1 кг сырья, USD 0,6 0,24 1 0,4 0,2 0,75

Создание (К) 1 0,21 0,92 0,4 0,27 0,36

Эксплуатация (К2) 1 0,98 1,35 1,92 2 0,55

Утилизация (К3) 1 3,13 2,83 0,67 0,62 2,85

К 3 4,32 5,1 2,99 2,89 3,76

Выводы

и дальнейшие направления исследования

Данные, представленные в таблице, показывают, что схожие коэффициенты эконаправленности имеют бетон, древесина и стекло, которые, как подтверждают предлагаемые критерии оценки, минимально воздействуют на окружающую среду.

Ключевой вывод работы: в объектах ОТС древесный экоматериал может использоваться для разных целей (не только в качестве конструкционного материала); его применение в то же время эффективно с точки зрения минимального воздействия на экологию, что соответствует общей концепции создания ОТС. Не следует забывать и о безопасности эксплуатации древесного экоматериала. Анализ исследований демонстрирует, что и в этом аспекте достигаются хорошие результаты благодаря широким возможностям изменять свойства древесины.

Таким образом, дальнейшее развитие направления задействования древесного экоматериала при строительстве объектов ОТС стоит рассматривать в ключе создания новых материалов. Обладая уникальными показателями, они позволят значительно повысить эконаправленность и тем самым снизить нагрузку на окружающую среду при возведении объектов ОТС.

Литература

1. Ераховец, Н.В. Принципы построения здоровой среды для жизни, деятельности, развития и отдыха человека в условиях ЭкоКосмоДома / Н.В. Ераховец // Безракетная индустриализация космоса: проблемы, идеи, проекты: материалы II междунар. науч.-техн. конф, Марьина Горка, 21 июня 2019 г. / Астроинженерные технологии; под общ. ред. А.Э. Юницкого. - Минск: Парадокс, 2019. - С. 139-143.

2. Боровиков, А.М. Справочник по древесине / А.М. Боровиков, Б.Н. Уголев; под ред. Б.Н. Уголева. - М.: Лесн. пром-сть, 1989. - 296 с.

3. Юницкий, А.Э. Струнные транспортные системы: на Земле и в Космосе: науч. издание /А.Э. Юницкий. - Силакрогс: ПНБ принт, 2019. - 576 с.: ил.

4. Годовой прирост леса [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://ru-ecology.info. - Дата доступа: 23.07.2021.

5. Wood-Derived Materials for Green Electronics, Biological Devices and Energy Applications /Z. Hongli [et al.] // Chemical Reviews. - 2016. - No. 116. - Р 9305-9374.

6. Transparent Wood for Functional and Structural Applications / Y. Li [et al.] // Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. - 2018. - Vol. 376, No. 2112. - P. 1-15.

7 Hybrid Wood Materials with Magnetic Anisotropy Dictated by the Hierarchical Cell Structure / V. Merk [et al.]//ACS Applied Materials & Interfaces. - 2014. - Vol. 6, No. 12. -P. 9760-9767.

8. Lande, S. Eco-Efficient Wood Protection Furfurylated Wood as Alternative to Traditional Wood Preservation / S. Lande, M. Westin, M.H. Schneider // Management of Environmental. - 2004. - Vol. 15, No. 5. - P. 529-540.

9. Berglund, L.A. Bioinspired Wood Nanotechnology for Functional Materials/L.A. Berglund, I. Burgert//Advanced Materials. - 2018. - Vol. 30, No. 19. - 1704285.

10. Bledzki, A.K. Cars from Renewable Materials/A.K. Bledzki, O. Faruk, A. Jaszkiewicz // Polish Society of Composite Materials. Kompozyty. - 2010. - Vol. 10, No. 3. - P. 282-288.

11. Balatinecz, J. Cars Made of Wood and Hemp Fibres? Why Not?/J. Balatinecz, M. Sain // Forestry Chronicle. - 2007 -Vol. 83, No. 4. - P. 482-484.

12. Saeed, A. Removal and Recovery of Heavy Metals from Aqueous Solution Using Papaya Wood as a New Bio-sorbent /A. Saeed, M.W. Akhter, M. Iqbal // Separation and Purification Technology. - 2005. - Vol. 45, No. 1. - P. 25-31.

13. Wood-Derived Hybrid Scaffold with Highly Anisotropic Features on Mechanics and Liquid Transport Toward Cell Migration and Alignment / J. Liu [et al.] // ACS Applied Materials & Interfaces. - 2020. - Vol. 12, No. 15. -P. 17957-17966.

14. Qinar, H. Eco-Design and Furniture: Environmental Impacts of Wood-Based Panels, Surface and Edge Finishes / H. Qmar // Forest Products Journal. - Vol. 55, No. 11. -P. 27-33.

15. Ashori, A. Characteristics of Wood-Fiber Plastic Composites Made of Recycled Materials / A. Ashori, A. Nourbakhsh // Waste Management. - 2009. - Vol. 29, No. 4. - P1291-1295.

16. Ihnát, V. Waste Agglomerated Wood Materials as a Secondary Raw Material for Chipboards and Fibreboards. Part I. Preparation and Characterization of Wood Chips in Terms of Their Reuse / V. Ihnát, H. Lübke, A. Russ // Wood Research. - 2017. - Vol. 62, No. 1. - P. 45-56.

17. Pizzi, A. Recent Developments in Eco-Efficient Bio-Based Adhesives for Wood Bonding: Opportunities and Issues / A. Pizzi // Journal of Adhesion Science and Technology. -2006. - Vol. 20, No. 8. - P. 829-846.