Сегодня стало обычным делом, когда вещи становятся «умными»: умные часы, умные дома, умные машины, умные города. Теперь эта тенденция добралась и до таких простых вещей, как шины. В «умные» шины пока ещё не интегрировали chatGPT и Bluetooth (но в будущем, возможно, мы и не такое увидим), но для их производства стали использовать технологию NASA, предназначенную для будущих миссий марсоходов.
Компания SMART Tire Co. (STC) производит безвоздушные велосипедные шины METL, изготовленные из разработанных NASA сплавов с памятью формы. Недавно она сообщила, что работает над версией для электрических скутеров. Новые шины имеют резиновые протекторы, прикреплённые к металлической катушке, которая составляет основу продукта. SMART — аббревиатура от Smart Memory Alloy Radial Technology.
Шина SMART станет жизнеспособной альтернативой обычным пневматическим резиновым шинам. Эта инновация, первоначально называвшаяся Superelastic Tire, была разработана для будущих миссий на Луну и Марс, но в итоге может стать заменой пневматическим шинам здесь, на Земле, сместив 100-летнюю индустрию с помощью новой технологии и подхода к проектированию и производству шин.
Стартуем!
Пневматические шины (шины, наполненные воздухом) были впервые изобретены и запатентованы ещё в 1847 году шотландским изобретателем Робертом Уильямом Томсоном, но в производство они так и не пошли. В 1888 году британский изобретатель Джон Бойд Данлоп независимо изобрёл ту же конструкцию и сумел представить первую в мире коммерческую пневматическую резиновую шину.
Это изобретение позволило сначала велосипедам, а затем и автомобилям добиться заметного повышения уровня комфорта пассажиров при передвижении по местности любого типа. Сумев воспользоваться своим изобретением, Джон Бойд Данлоп основал «Dunlop Pneumatic Tire Company», компанию по производству шин и различных резиновых изделий, которая оставалась в высшем эшелоне производителей почти 100 лет, прежде чем была продана в 1980-х годах. И за эти 100 лет пневматические шины практически не изменились.
Сегодня во всем мире ежегодно производится более 400 миллионов пневматических шин, а также почти 47 миллионов новых автомобилей, потребляющих их, и количество автомобилей в мире растёт на 1,6% в год. Мировой рынок шин оценивается примерно в 250 миллиардов долларов. Крупные шинные компании не спешат менять старую систему и бизнес-модель, которую они создали (в начале 20-го века) и продолжают получать прибыль сегодня.
Мировая шинная индустрия сильно фрагментирована: три крупнейших производителя (Bridgestone, Michelin, Goodyear), каждая из которых занимает менее 10% рынка. Ни один крупный конкурент не специализируется на безвоздушных шинах и никогда не разрабатывал высокопроизводительные безвоздушные шины.
Материалами современных пневматических шин являются синтетический каучук, натуральный каучук, ткань и проволока, а также технический углерод и другие химические соединения. Шины состоят из протектора и корпуса. Протектор обеспечивает сцепление, а корпус удерживает некоторое количество сжатого воздуха. Из-за того, что шины могут спускаться, они требуют постоянного обслуживания и мониторинга. На долю шин приходится 20% всех ДТП. Проколы и «шишки» на шинах приводят к замене. Только в США ежегодно выбрасывается более 246 миллионов использованных резиновых шин. 75% доходов шинной отрасли приходится на замену шин.
Практически все виды транспорта — от грузовиков, велосипедов, самолётов до космических транспортных средств — могут получить выгоду от использования высокопроизводительных безвоздушных шин, которые никогда не спускаются, экономят бензин и могут работать в самых экстремальных условиях на Земле и за её пределами.
Шины METL от SMART Tire являются первыми в своём роде: они изготовлены из сплавов с памятью формы, являются безвоздушными и высокопроизводительными. Их особые сверхэластичные свойства позволяют им сгибаться и изгибаться, как резиновая шина, но с прочностью и характеристиками титанового сплава, готовые всегда сохранять свою первоначальную форму. Мало того, они никогда не сбиваются, практически не требуют обслуживания, легки и требуют значительно меньше резины, чем традиционные шины.
Их пока можно использовать только для велосипедов. Шины уменьшают сопротивление качению, что облегчает езду на велосипеде, и, хотя они содержат воздух, им не требуется давление воздуха. Без сжатого воздуха внутри шин проколы больше не являются проблемой. В качестве экспериментов шины протыкали кухонным ножом, но это не повлияло на структурную целостность шины.
Используя технологию «сплава с памятью формы» (SMA), каждая шина METL имеет никель-титановую (NiTi) центральную пружину. Согласно сайту компании, умный металл «перестраивает свою молекулярную структуру, когда вы его сгибаете, но мгновенно возвращается к своей первоначальной форме».
Сплавы с памятью формы способны претерпевать фазовые переходы на молекулярном уровне с обратимыми деформациями на порядок больше, чем обычные материалы, прежде чем подвергнуться остаточной деформации. Использование сплава с памятью формы NiTi позволяет получить шину, эластичную, как резина, но прочную, как титан.
Области применения высокопроизводительных безвоздушных шин практически безграничны. Они составляют значительную часть объема шинной промышленности, которая к 2030 году вырастет до 500 миллиардов долларов. Никаких головных болей с проколами и накачкой шин, минимум обслуживания, экономия топлива, электромобили станут легче (с обычными шинами они тяжелее). Увеличивается и стойкость транспорта к бездорожью, а будущие луноходы и марсоходы получат более прочные и надёжные шины.
Устройство шин METL
Шина METL родилась в результате экстремальных испытаний, с которыми НАСА сталкивается на Марсе, где нет дорог, температура их может достигать 100°C, а характеристики шин имеют решающее значение. METL заключены в специальную резиново-полимерную конструкцию (протектор, боковины и т. д.), которая сможет прослужить намного дольше, чем стандартная шина из технического углерода. В отличие от прототипа сетки НАСА на фотографии, в новых шинах STC не будет металла, находящегося в прямом контакте с землей или дорогой.
Superelastic Tire
Сопротивление качению зависит от возвращаемой энергии шины. Возвратная энергия материала в основном зависит от 1) жёсткости материала и 2) восстанавливаемой деформации. Как материал на металлической основе, SMA обладает высокой жёсткостью (модуль упругости ~ 70-90 ГПа) и в сочетании со способностью к восстановлению деформации (8-12%) обладает высоким потенциалом возвратной энергии. Эта возвращаемая энергия приводит к улучшению температурных преимуществ шин, снижению сопротивления качению и ускорению прохождения поворотов. У NiTi обратимая деформация в 30 раз выше, чем у стали. Этот сплав всегда вернётся к своей первоначальной форме, независимо от того, как он растягивается или сгибается. Благодаря этому METL может мягко сжиматься и отскакивать, обеспечивая комфортную езду, аналогичную пневматической шине.
Съёмный протектор и боковины шины изготовлены из полирезины, в которой заключена пружина. Основная шина должна прослужить весь срок службы велосипеда, даже если протектор придётся заменять каждые 5 000–8 000 миль (8 047–12 875 км), в зависимости от рисунка протектора. STC также сообщила, что разрабатывает процесс, который позволит ей восстанавливать велосипедные шины, которые сейчас продаются.
Шины пока доступны исключительно для предварительного заказа через Kickstarter в размере 700x35 мм для шоссейных и гравийных велосипедов, где компания продаёт 500 комплектов шин первого выпуска (две шины в комплекте) по цене 500 долларов за комплект. Дополнительные размеры будут позже.
Стандартные шины являются бескамерными и совместимы со стандартными велосипедными ободами. В спецификации производителя указано, что они будут весить примерно так же, как и средний вес пневматических шин аналогичного размера — около 450 граммов (16 унций) для модели 35c.
В настоящее время объявленные взносы начинаются от 150 долларов за пару колес для электронного скутера и до 2300 долларов за комплект шин MELT с углеродными или алюминиевыми ободами, при этом заказы ориентировочно планируется отгрузить в июне 2024 года. На сайте также указано, что восстановление протектора будет стоить 10 долларов.
Создано для Марса. Готово к Земле
Точно так же, как Tesla изменила индустрию автомобилей, предоставив новый аккумулятор вместо двигателя внутреннего сгорания, шины SMART могут также изменить индустрию электромобилей.
Экономия топлива также является серьёзной проблемой для каждого транспортного средства на дороге и за её пределами. Шины SMART могут стать оптимальным вариантом для электромобилей следующего поколения, где несущая способность, топливная экономичность, стабильная производительность и длительный срок службы имеют первостепенное значение.
Отрасль грузоперевозок может получить выгоду за счёт устранения дорогостоящего обслуживания шин, повышения эффективности использования топлива и устранения необходимости в резервных шинах. Сегодняшний 18-колесный автомобиль на обычных шинах завтра может стать 10-колёсным на шинах METL.
Электромобили перевозят более тяжелые грузы на большие расстояния с меньшим допуском на ошибку. Автономная (беспилотная) езда бесполезна и небезопасна при спущенной шине, и понадобится технология, изначально изобретенная для решения именно этой проблемы. Вместо этого будет использовать 10 усовершенствованных шин SMART.
Предполагается, что к 2030 году шины SMA станут предпочтительными шинами для электрических и автономных транспортных средств, а также войдут в авиационную отрасль, где отказ от чрезвычайно тяжелых систем шасси может стать самым большим успехом из всех.
Исследование космоса никуда не денется. Будь то NASA, SpaceX, ESA или Blue Origin, будущее космоса связано с наземными транспортными средствами, перевозящими всё более и более тяжелые грузы. В 2026 году марсоход, разработанный совместно НАСА и ЕКА (Европейским космическим агентством), отправится на Марс с миссией по возврату образцов, оснащённый шинами SMA. Эта миссия планирует использовать ту же основополагающую технологию, которая коммерчески разрабатывается в STC. Эти шины, созданные в соответствии с требованиями миссии НАСА, изначально были изобретены для того, чтобы выдерживать постоянное использование на Марсе. Это означает, что они должны работать при экстремальных температурах, никогда не выходить из строя, оставаться лёгким и энергоэффективным.
Шинная промышленность невероятно антиэкологична. Ежегодно более миллиарда тонн использованных шин становятся отходами. Большая часть этого потока отходов отправляется на свалки или сжигается на мусорных полигонах. 20-30% всего микропластика в океане приходится на шины.
По данным STC, в шинах METL используется примерно половина резины, чем в обычных пневматических шинах, а благодаря программам восстановления и переработки протектора общий выброс CO2 будет снижен. Шины получили награды за инновации в двух категориях на выставке Consumer Electronics Show 2023 в Лас-Вегасе, включая «Экологичность», «Эко-дизайн» и «Умная энергия».
