I sensori di posizione potenziati con grafene risolvono tutti i problemi del settore in un colpo solo

I costi di produzione molto elevati del grafene impediranno di sfruttarne il potenziale, trasformandolo in benefici reali per le applicazioni commerciali? Esaminando progetti come GRAPHENESENS (Development of Graphene based Contact Position Sensors), saremmo tentati a rispondere di no.

Utilizzando rivestimenti in nanocomposito a base di grafene per lo sviluppo di nuovi sensori di posizione, il progetto è effettivamente riuscito a superare i tre principali svantaggi delle soluzioni attuali: la scarsa resistenza all’uso che conduce a un’inaffidabilità a lungo termine, la precisione limitata a causa della rugosità superficiale, che causa rumore, e i costi elevati dovuti all’uso di metalli preziosi per la fabbricazione della spazzola del sensore.

Nel complesso, il progetto ha creato con successo una nuova unità potenziometro con tracce resistive serigrafate utilizzando inchiostri a base di grafene, un’unità di testa della spazzola che combina un substrato a basso costo con un rivestimento a base di grafene e un’unità base codificatore a 48 impulsi che utilizza in particolare un rivestimento barriera a base di grafene. Il target sono il mercato automobilistico e motociclistico e i marchi più prestigiosi stanno già mettendosi in fila.

Pufinji Obene, Direttore delle Operazioni presso Precision Varionic International e coordinatore di GRAPHENESENS, ci guida attraverso i risultati del progetto e illustra il suo potenziale di rivoluzionare il mercato dei sensori di posizione.

Quale obiettivo speravate di raggiungere con questo progetto?

Molte persone parlano del grafene e dei suoi potenziali impieghi, ma la verità è che il grafene è piuttosto costoso da utilizzare in forma pura. Per questo motivo, le scoperte che utilizzano esclusivamente grafene tenderanno a realizzarsi solo a livello di laboratorio.

Ciononostante, sappiamo anche il grafene ha incredibili proprietà, sia per quanto riguarda la conduttività elettrica, la resistenza meccanica o la scorrevolezza. Abbiamo quindi pensato: perché non considerare un sistema specifico per l’applicazione, prendendo uno strato di grafene puro e trasformandolo in una formulazione di inchiostro, e infine analizzare la differenza tra la stessa applicazione con e senza grafene?

Il progetto GRAPHENESENS era incentrato sul grafene per i sensori da contatto nel settore automobilistico, ma la nostra ricerca può trovare applicazioni in sensori di posizione di tutti i tipi.

Quale valore aggiunto speravate che il grafene apportasse a questi prodotti?

L’obiettivo principale era la durabilità, in particolare se ci riferiamo ai sensori potenziati con grafene per oggetti come antenne, pedali dell’acceleratore, codificatori, motori o persino la robotica.

Un pedale dell’acceleratore, per esempio, richiede inchiostri a lunga durata con specifiche tecniche che prevedono 2 milioni di cicli, oltre al superamento di test che sottopongono il sistema fino a 7 milioni di cicli. La domanda è: posso utilizzare il grafene per prolungare la durata di questo prodotto? Se è possibile, aggiungere solo l’1 o il 2% di grafene in una formulazione di inchiostro, ossia una percentuale molto piccola, può fare un’enorme differenza a livello economico.

Le auto senza conducente rappresentano una potenziale applicazione?

Sì. Le auto senza conducente usano i radomi per proteggere i sensori, ma questi tendono a congelarsi e non riescono di conseguenza a ricevere il segnale. Perciò, uno dei progetti su cui stiamo lavorando con uno dei nostri clienti è quello di utilizzare la nostra soluzione come elemento riscaldante. Rivestiamo il poliammide con un inchiostro di grafene a bassa viscosità, che ha un’ottima adesione al substrato e alta conducibilità, in modo da riscaldare il radome a una potenza molto bassa.

Tra i principali vantaggi abbiamo citato la durabilità, ma quali sono i costi?

Per tornare ai nostri sensori di posizione a contatto, un vantaggio rivoluzionario è il fatto che possiamo usare il grafene per ricoprire la spazzola del potenziometro. Di solito, le spazzole sono fatte di metalli preziosi come il Paliney, che è molto costoso. Utilizzando un materiale più economico e ricoprendolo con il nostro sistema a grafene, possiamo ottenere una spazzola molto più economica (con un prezzo circa 5-10 volte inferiore) rispetto a quella in Paliney.

Possiamo utilizzare il grafene sia sull’estremità della spazzola economica, che per il circuito conduttivo del potenziometro. Questa interfaccia grafene a grafene ci permette di raggiungere un perfetto equilibrio tra le caratteristiche di durabilità della spazzola e le proprietà elettriche dell’inchiostro.

Siete riusciti a quantificare i benefici di questo sistema?

Abbiamo realizzato un confronto tra prodotti con e senza grafene: i vantaggi sono enormi. Siamo stati in grado di dimezzare lo spessore dell’inchiostro stampato e la nostra tecnica di Aerosol Assisted Ion Deposition (AAID) per rivestire la spazzola più economica riduce i costi dell’80%. In generale, siamo riusciti a ridurre il costo della produzione di sensori di contatto del 45%.

Quali sono i vostri piani per la commercializzazione?

Per quanto riguarda strettamente le spazzole, stiamo già realizzando prototipi per due o tre fornitori del settore automobilistico; due di essi stanno anche lavorando sull’inchiostro a lunga durata, ma questo progetto è riservato in termini di proprietà intellettuale.

Alcuni dei nostri clienti hanno riscontrato problemi con le spazzole e hanno bisogno del nuovo prodotto il prima possibile. Ora la sfida è quella di raggiungere una produzione su scala industriale: per realizzare questo obiettivo dovremo ricorrere a un progetto di fase 2 dello Strumento PMI.

Stiamo pensando anche ad altri mercati oltre a quello automobilistico perciò, tutto sommato, speriamo di avere il prodotto sul mercato entro due o tre anni.

Guardando indietro, direste che il vostro progetto è un esempio di cosa si può ottenere con il grafene?

Penso di sì. In questo momento, il mercato richiede applicazioni del grafene per scenari reali. Non credo che il grafene potrà essere utile alla società nella sua forma più pura finché non sarà possibile utilizzarne un singolo strato e posizionarlo su un circuito. Nel frattempo, dovremmo impiegare il grafene come potenziatore e concentrarci sulla produzione di oggetti pratici. Questi sono i risultati di GRAPHENESENS.