Các nhà sản xuất xe hơi toàn cầu đều có tham vọng sản xuất các phương tiện giao thông nhẹ hơn và tham vọng này đã dẫn dắt một số nhà sản xuất xe hơi tại Nhật Bản thử nghiệm một vật liệu thay thế cho thép tưởng như bất khả thi – gỗ.

Các nhà nghiên cứu và các nhà sản xuất phụ tùng ô tô Nhật Bản cho biết một loại vật liệu làm từ dăm gỗ có trọng lượng chỉ bằng 20% thép và cứng gấp 5 lần. Loại vật liệu này – sợi nano cellulose – có thể trở thành một vật liệu thay thế cho thép rất triển vọng trong những thập kỷ sắp tới, mặc dù sẽ phải đối mặt với sự cạnh tranh từ các vật liệu từ carbon, và vẫn còn một chặng đường dài trước khi loại vật liệu này có thể sản xuất trên phạm vi thương mại.

Giảm trọng lượng phương tiện giao thông sẽ là yếu tố quan trọng khi các nhà sản xuất xe hơi đang chuyển dịch sang hướng đưa xe hơi điện trở thành một sản phẩm chủ lực. Các loại pin rất đắt đỏ nhưng là thành phần không thể thiếu, do đó giảm trọng lượng xe hơi sẽ giúp tiêu tốn pin ít hơn, qua đó tiết kiệm chi phí sử dụng phương tiện. “Giảm trọng lượng là luôn luôn là vấn đề đối với chúng tôi”, Masanori Matsushiro, giám đốc dự án thiết kế thân xe tại Toyota Motor Corp cho biết. “Nhưng chúng tôi cũng phải giải quyết vấn đề chi phí sản xuất cao trước khi chúng tôi nhận thấy bất kỳ sự phát triển thị trường cho các loại vật liệu mới, nhẹ trong sản xuất xe hơi hàng loại”.

Các nhà nghiên cứu tại đại học Kyoto và các nhà cung cấp phụ tùng lớn như Denso Corp, nhà cung cấp lớn nhất của Toyota, và DaikyoNishikawa Corp, đang nghiên cứu kết hợp sợi nano cellulose với nhựa – bằng cách phá vỡ sợi nano xuống vài trăm của 1 micron (=1/100mm).

Các sợi nano cellulose đã được sử dụng trong hàng loạt các sản phẩm, từ mực đến màn hình cực nét, nhưng tiềm năng sử dụng trong xe hơi mới được khai phá nhờ công nghệ “Kyoto Process”, theo đó sợi gỗ đã qua xử lý hóa chất được trộn với nhựa, đồng thời bị phá vỡ, biến thành sợi nano, giúp giảm mạnh chi phí sản xuất xuống chỉ còn bằng 20% so với các quy trình sản xuất khác. “Đây là ứng dụng có chi phí thấp nhất, chất lượng cao nhất đối với sợi nano cellulose, và đó là lý do vì sao chúng tôi tập trung vào sử dụng vật liệu này trong các bộ phận của xe hơi và máy bay”, giáo sư tại đại học Kyoto Hiroaki Yano, người đứng đầu nghiên cứu cho biết.

Đại học này, cùng với các nhà sản xuất bộ phận ô tô, hiện đang phát triển một chiếc xe hơi mẫu có các bộ phận sử dụng sợi nano cellulose, dự kiến hoàn thành vào năm 2020. “Chúng tôi đang sử dụng các loại nhựa như một vật liệu thay thế cho thép, và chúng tôi đang hy vọng sợi nano cellulose sẽ mở rộng khả năng đạt được mục tiêu này”, theo Yukihiko Ishino, người phát ngôn tại  DaikyoNishikawa, nhà sản xuất có khách hàng là Toyota Motor Corp và Mazda Motor Corp.

Các nhà sản xuất ô tô cũng đang sử dụng các vật liệu thay thế nhẹ. BMW sử dụng sợi carbon được cường lực bởi polymers (carbon fibre reinforced polymers - CFRPs) trong loại xe điện cỡ nhỏ i3, trong khi hợp kim thép nhôm có độ co giãn cao hiện đang được sử dụng rộng rãi nhất trong các lựa chọn vật liệu nhẹ do loại vật liệu này có giá rẻ hơn và có thể tái chế.

Ông Yano cho biết nghiên cứu của ông lấy cảm hứng từ bức ảnh  "Spruce Goose", một máy bay chuyên chở hàng gần như làm toàn bộ bằng gỗ vào năm 1947 bởi nhà tài phiệt lập dị Mỹ Howard Hughes. Vào thời điểm đó, đây là máy bay lớn nhất thế giới. “Tôi đã nghĩ nếu Howard Hughes có thể tìm cách sử dụng gỗ để sản xuất một máy bay cỡ lớn, tại sao không sử dụng gỗ để làm một loại vật liệu còn cứng hơn thép”. Chi phí sản xuất hàng loạt đối với 1 kg sợi nano cellulose hiện vào khoảng 1.000 Yên, tương đương 9 USD.

Ông Yano đặt mục tiêu giảm một nửa chi phí này đến năm 2030, theo đó ông cho rằng sẽ giúp lại vật liệu này đạt được hiệu quả kinh tế, do được kết hợp với nhựa và cạnh tranh được với hợp kim thép nhôm có độ co giãn cao, hiện có chi phí chỉ khoảng 2 USD/kg.

Các chuyên gia dự báo rằng giá sợi carbon sẽ giảm xuống còn khoảng 10 USD/kg đến năm 2025. Các nhà phân tích cho rằng hợp kim co giãn cao thép – nhôm sẽ là một loại vật liệu thay thế được ưa chuộng hơn trong nhiều năm tới, xét đến các nhà sản xuất bộ phận xe hơi sẽ cần đại tu các dây chuyền sản xuất và tìm cách đưa các loại vật liệu mới như sợi nano cellulose vào các bộ phận xe hơi khác.

Theo Anthony Vicari, một nhà phân tích các vật liệu ứng dụng tại Lux Research (Boston), cho rằng đây thực sự là một bước tiến lớn nếu các dự báo của ông Yano trở thành sự thật.

Nhưng hiện nay, các dự báo này vẫn còn “là một dấu hỏi rất lớn”.