علوم المواد
هل الألياف الطبيعية هي مستقبل المركبات المركبة في السيارات؟
السيارات هي واحدة من المساهمين الرئيسيين في انبعاثات ثاني أكسيد الكربون (CO2). ومن الجدير بالذكر أن السبب ليس فقط انبعاثات العادم أثناء الاستخدام. إنتاج السيارات يساهم أيضًا في انبعاثات الغازات الدفيئة، وتحديدًا انبعاثات ثاني أكسيد الكربون.
عمليات التصنيع المستهلكة للطاقة للمواد مثل الصلب، وكذلك إنتاج مكونات مثل البطاريات للمركبات الكهربائية، تلعب أيضًا دورًا كبيرًا في تغير المناخ.
نتيجة لذلك، تعمل صناعة السيارات بنشاط على تقليل CO2e في الإنتاج. CO2e، أو ما يعادل ثاني أكسيد الكربون، هو وحدة قياس معيارية لقياس ومقارنة تأثير مختلف الغازات الدفيئة على الاحتباس الحراري.
لتحقيق ذلك، تعتمد صانعي السيارات استراتيجيات مختلفة، بما في ذلك دمج المواد المستدامة، تحسين عمليات التصنيع، واعتماد تقنيات جديدة.
مؤخرًا، أعلنت مجموعة BMW (BMW-DE:XETRA) أنها حققت اختراقًا كبيرًا في استخدام المركبات المصنوعة من الألياف الطبيعية، والتي ستُستخدم الآن في نماذج الإنتاج المتسلسل بعد عدة سنوات من التطوير والبحث المتعمق.
اختراق BMW باستخدام مركبات ألياف الكتان الطبيعية
قامت الشركة الرائدة عالميًا في تصنيع السيارات والدراجات النارية أولاً باستخدام المواد الخام المتجددة في BMW M Motorsport خلال موسم فورمولا إي 2019، ثم في سيارتي BMW M4 DTM و M4 GT4، حيث حلت مركبات الألياف الطبيعية محل أجزاء البلاستيك المصنوع من ألياف الكربون (CFRP).
CFRP هو مادة عالية التقنية تتضمن دمج ألياف الكربون مع مواد أخرى لتشكيل مركب. تحظى بقبول واسع في معظم الصناعات، بما في ذلك صناعة السيارات. وعلى الرغم من تفوقها على المواد الخفيفة الأخرى، إلا أنها مكلفة بسبب المواد الخام.
لذلك، بدأت شركات مثل صانع السيارات الألماني في التحول إلى مركبات الألياف الطبيعية. كما أشارت مجموعة BMW في عام 2022، تم استبدال جميع العناصر في BMW M4 GT4 التي كانت مصنوعة من CFRP بمركبات مبتكرة مصنوعة من ألياف طبيعية. وقالت الشركة في ذلك الوقت:
«لا توجد سيارة سباق GT أخرى في الإنتاج المتسلسل تتطابق مع كمية أجزاء المركبات المصنوعة من الألياف الطبيعية.»
تم دمج حلول ألياف الكتان في جميع أنحاء السيارة، بما في ذلك الداخلية، على لوحة القيادة ووحدة التحكم المركزية، وكذلك مكونات هيكل السيارة مثل الغطاء، الفاصل الأمامي، الصندوق الخلفي، الجناح الخلفي، والأبواب. باستثناء سقف السيارة، لم يُستخدم أي شيء من CFRP. وحتى ذلك يتغير الآن، حيث تلبي المركبات المصنوعة من المواد الخام المتجددة أكثر المتطلبات صرامة لهياكل الأسقف التي تحددها الحكومة في شهادة صلاحية السيارة للطرق، وفقًا لأحدث تقرير لمجموعة BMW.
استبدال مركبات ألياف الكربون بألياف طبيعية في سقف سيارة مجموعة BMW من الجيل التالي يؤدي إلى تقليل CO₂e بنحو 40٪ في الإنتاج، بالإضافة إلى اعتبارات إضافية في نهاية العمر الافتراضي، حسب ما أُشير.
بالنسبة لهذه المكونات الخفيفة القائمة على الكتان الطبيعي، تعاونت BMW مع Bcomp، وهي شركة سويسرية للتقنية النظيفة، والتي تمتلك حصة فيها عبر BMW i Ventures، ذراع رأس المال المخاطر لمجموعة مونيخ التي تستثمر في الشركات الناشئة سريعة النمو في بيئة السيارات، وتساعد في تشكيل التنقل.
إلى جانب BMW، قامت Generali و Airbus Ventures، بالإضافة إلى شركات تصنيع السيارات البارزة مثل Porsche Ventures وصندوق Volvo Cars Tech Fund، أيضًا بالاستثمار في Bcomp لمساعدتها في تطوير “حلول إلغاء الكربون عالية الأداء.”
قامت Bcomp بتطوير تقنية التعزيز powerRibs، التي استلهمت من عروق الأوراق وخلقت هيكلًا ثلاثي الأبعاد على جانب عنصر غلاف رقيق لتزيد الصلابة بأقل وزن ممكن. ثم أضافت تعزيـزات ampliTex طبقة مرئية من ألياف الكتان للمادة المغطية.
سمح ذلك للشركة بتقليل كمية البلاستيك المستخدمة في تجميع الأجزاء الداخلية بنسبة تصل إلى 70٪ وخفض انبعاثات CO2 بنسبة 60٪، مع الفائدة الإضافية لتحسين السلامة بفضل عدم وجود شظايا حادة. تشمل المواد الخام المتجددة والألياف الطبيعية المستخدمة هنا القنب، الكيناف، والكتان، التي ساعدت الشركة على تقليل الوزن بنحو 50٪ مقارنة بالمواد التقليدية.
بعد رفع مستوى استخدام حلول المركبات المبتكرة إلى المستوى التالي مع BMW M4 GT4، تتجه الشركة الآن إلى مستوى جديد تمامًا من خلال الاستفادة من مركبات الألياف الطبيعية للإنتاج المتسلسل للنماذج المستقبلية.
يبقى بناء مواد خفيفة الوزن محورًا حاسمًا لصانعي السيارات، إلى جانب الأهمية المتزايدة لاستخدام الألياف الطبيعية، التي توفر بصمة كربونية منخفضة في المواد المركبة.
«مركبات الألياف الطبيعية هي عنصر أساسي في حلول الوزن الخفيف المبتكرة في رياضة السيارات، مما يسمح بتقليل انبعاثات CO₂e في عملية التصنيع.»
– الرئيس التنفيذي لشركة BMW M GmbH، فرانكيسكوس فان ميل
وفقًا لمجموعة BMW، أظهرت تقييمات المواد ملاءمة كبيرة للألياف، خاصةً للمكونات الخارجية والداخلية الظاهرة. والآن، ستخضع المواد الخفيفة لاختبار الأداء النهائي. تم تركيبها في BMW M4 GT4 لسباق 24 ساعة على نوردبورغرينغ. وأضاف فرانكيسكوس فان ميل:
«الألياف الطبيعية هي ابتكار يجسد تمامًا ادعاء BMW M ‘وُلدت على حلبة السباق. صُنعت للطرق.’. لهذا السبب نحن سعداء بتأكيد نضج هذه المواد للإنتاج المتسلسل، وهو اختراق حققناه مع شريكنا #BMW M Motorsport، Bcomp. نتطلع الآن إلى استخدام هذه المواد في نطاقات منتجات BMW M المستقبلية.»
لماذا تُعد مركبات الألياف الطبيعية مهمة في صناعة السيارات
تلعب المركبات دورًا مهمًا في صناعات المواد بفضل فعاليتها من حيث التكلفة وصداقة البيئة. المادة المركبة هي ببساطة مادة تُنتج بدمج مادتين أو أكثر من المكونات.
إن دمج مواد ذات خصائص مختلفة يمنح المواد المركبة خصائص خاصة مثل زيادة القوة، تقليل الوزن، أو تحسين المتانة. وهذا يجعلها حاسمة في العديد من الصناعات.
بعض أكثر المواد المركبة شيوعًا هي الألياف الزجاجية، ألياف الكربون، الخرسانة، البلاستيك المقوى، المركبات المصنوعة من مصفوفة السيراميك، وغيرها.
في الوقت نفسه، تُعد بوليمرات الألياف الزجاجية المقواة (GFRP) وبوليمرات ألياف الكربون المقواة (CFRP) أكثر المركبات شيوعًا المستخدمة في صناعة السيارات لتصنيع السيارات بسبب نسب القوة إلى الوزن العالية، مقاومة التآكل، المرونة، المتانة، والقدرة على المساهمة في كفاءة الوقود ومتانة التحطم.
مع ذلك، فإن التحول العالمي نحو الطاقة المتجددة والممارسات المستدامة، الذي دفع صانعي السيارات أيضًا إلى التحول إلى السيارات الكهربائية، يدفع أيضًا اعتماد مركبات الألياف الطبيعية.
التشريعات التي تتطلب من صانعي السيارات إعادة استخدام المواد وإعادة تدويرها هي سبب آخر لنمو استخدام الألياف الطبيعية في المواد المركبة. نتيجة لذلك، نلاحظ زيادة في استخدام المواد القائمة على الكائنات الحية في صناعة السيارات.
في الواقع، يلعبون دورًا كبيرًا في جعل القطاع أنظف وأكثر خضرة مع تقديم فوائد كبيرة.
يتضمن ذلك تحسين الكفاءة وتقليل الوزن. تُعد مركبات الألياف الطبيعية خفيفة الوزن بطبيعتها، ومن خلال استخدامها في تصنيع أجزاء السيارات مثل اللوحات الأمامية، الألواح الجانبية، ومكونات داخلية أخرى، يمكن تقليل وزن السيارة. هذا التخفيض في الوزن يعني أيضًا أن السيارة تحتاج إلى طاقة أقل للتحرك، مما يؤدي إلى استهلاك وقود أقل.
فائدة أخرى عظيمة لمركبات الألياف الطبيعية هي قوتها وقدرتها على تحمل الاستخدام اليومي، مما يعزز المتانة والموثوقية للسيارة.
الأهم من ذلك، أن الألياف الطبيعية هي موارد متجددة، مما يجعل الاستدامة في صميمها. يتيح استخدام هذه المركبات لصانعي السيارات تقليل اعتمادهم على المواد الضارة القائمة على الوقود الأحفوري، وبالتالي تقليل انبعاثاتهم.
في مجال الألياف الطبيعية، التي تثبت فائدتها الكبيرة لصناعات المواد، يُعد القنب، الجوت، السيزال، الكتان، الخيزران، الأرز، والكيناف من بين الخيارات الأكثر شيوعًا.
من بين هذه، يُعد الكتان أكثر المواد استخدامًا في المركبات بفضل خصائصه الميكانيكية المتفوقة مقارنةً بالألياف الطبيعية الأخرى. يأتي من ساق نبات الكتان أو بذور الكتان. يُعرف قماش الكتان عادةً باسم ‘الكتان’ وهو من أقدم الأقمشة المعروفة.
تجعل ألياف السليلوز الطويلة والمتصلة صالحة كمواد تعزيز في المركبات بفضل صلابتها العالية وقوتها الشدية. كما يتميز الكتان بمظهر طبيعي فريد.
نظرًا لأن الألياف الطبيعية قابلة للتحلل حيويًا، منخفضة التكلفة، وخفيفة الوزن، يتم عادةً دمجها مع البوليمرات لإنشاء مواد قوية ومتينة لأجزاء السيارات، نظرًا لافتقارها إلى الخصائص الميكانيكية للألياف الصناعية.
على سبيل المثال، صلابة ألياف الكربون تزيد بأكثر من 75٪ مقارنة بألياف الكتان. كما أن ألياف الكربون أقوى بخمس مرات من ألياف الكتان، بينما ألياف الزجاج أقوى بأربع مرات.
علاوة على ذلك، معامل الانحناء للألياف الصناعية أعلى معتدلًا من الألياف الطبيعية. ومع ذلك، معدل التآكل للألياف الطبيعية منخفض، مما يجعلها مناسبة للاستخدام في بيئات احتكاكية. بينما تردد الاهتزاز للألياف الطبيعية مشابه لتردد الألياف الصناعية، فإن قدرة تخزين طاقة الصدمة لألياف الزجاج تفوق ألياف الكربون، الفليكس، والكيناف.
وبالإضافة إلى ذلك، الألياف الطبيعية حساسة للرطوبة. إلى جانب القلق بشأن جودة وتناسق هذه الألياف، فإن ارتباطها بمصفوفات البوليمر ضعيف أيضًا. من المتوقع أن تكون مركبات الألياف الطبيعية (NFC) التي تُصنع بدمج الألياف الطبيعية مع ألياف صناعية مختلفة هي الثورة الجديدة في مواد المركبات.
حاليًا، تُستخدم مركبات الألياف الطبيعية على نطاق واسع من قبل صانعي السيارات. إلى جانب BMW، قامت Ford (F ) بتجربة مركبات الألياف الطبيعية لأكثر من عقد من الزمن لإنشاء داخليات سيارات مستدامة.
تُعد Mercedes-Benz (MBG-DE:XETRA) شركة أخرى تحقق تقدمًا في استخدام الألياف الطبيعية، خاصةً في ألواحها الداخلية. تم تصنيع أجزاء من نماذجها A-class، C-class، E-class، و S-class باستخدام ألياف طبيعية مختلفة، بما في ذلك السيزال، القنب، الصوف، والكتان.
قبل بضع سنوات، أفادت Bcomp بأنها تزود شريك تطوير Mercedes-AMG، HWA AG، بتقنياتها عالية الأداء للألياف الطبيعية لتصنيع الصدمات الأمامية لسيارات سباق Mercedes-AMG GT4. يسمح تصنيع الصدمة من ألياف طبيعية بالكامل باستخدامها لاستعادة الطاقة الحرارية، حيث يتحول حوالي 80٪ من الطاقة المخزنة فيها إلى طاقة متجددة.
كيف تدفع رياضة السيارات تقنية الألياف الطبيعية إلى السوق الجماعي
يقوم صانعو السيارات حول العالم بدمج مركبات الألياف الطبيعية في مركباتهم، خاصةً في التطبيقات الداخلية والخارجية، لتحقيق خفض الوزن وتعزيز الاستدامة.
مجموعة BMW، على وجه الخصوص، وصلت إلى نضج الإنتاج المتسلسل باستخدام مركبات الألياف الطبيعية وهي الآن جاهزة للإنتاج المتسلسل، بعد أن استخدمتها بنجاح في سيارات السباق. وهذا ينقل تقنية المواد المبتكرة وفوائدها، التي كانت محصورة في السيارات الفاخرة والممتازة، إلى الجمهور العام.
هذه ليست المرة الأولى التي تساعد فيها السيارات الرياضية الفاخرة على نقل الابتكارات إلى السوق العامة. يُعرف صانعو السيارات باستخدام سياراتهم عالية الأداء كحاضنات للتقنية.
هذا منطقي بالفعل. تميل السيارات الفاخرة إلى أن تكون مكلفة جدًا ومصنوعة بأحجام إنتاج منخفضة، مما يسمح للمصنعين بتجربة تقنيات جديدة. يمكن استخدامها كمنصة اختبار للمواد والتقنيات المتقدمة قبل أن تصبح ذات تكلفة معقولة وقابلة للتوسع للإنتاج الضخم.
مع مرور الوقت، تميل المواد والعمليات والتقنيات إلى الانتشار إلى السيارات العامة، وهو ما يمكن ملاحظته عبر التاريخ. من بين المواد الجديدة، ألياف الكربون مثال رائع.
لأكثر من قرن، كان الصلب هو المادة الأساسية في السيارات، حتى اكتسب الألمنيوم شعبية في أواخر القرن العشرين كبديل أخف وزنًا للصلب. كان خفيف الوزن يجعله مرشحًا جذابًا لسيارات السباق التي تحتاج إلى خفة لتحقيق سرعات هائلة. ومع ذلك، يُستخدم أساسًا في كتلة المحرك لأنه، رغم خفته وكفاءته في استهلاك الوقود ومقاومته للتآكل، ليس قويًا بشكل خاص وهو أيضًا مكلف.
حينها ظهرت ألياف الكربون وأحدثت ثورة في الصناعة. تم استخدامها على نطاق واسع في فورمولا 1 والسيارات الفائقة بفضل نسبة القوة إلى الوزن المذهلة.
أخف وزنًا من كل من الصلب والألمنيوم، تمكّن ألياف الكربون صانعي السيارات من تقليل وزن المركبة مع تحسين الأداء وكفاءة الوقود. كما توفر امتصاصًا أفضل للطاقة في الحوادث، مما يجعلها مثالية لسيارات السباق التي تتطلب ميزات أمان وهيكلية أعلى من السيارات العادية. وهذا هو السبب في أن هيكل سيارة فورمولا 1 تقريبًا مصنوع بالكامل من ألياف الكربون.
لذا، بعد أن كشفت McLaren عن أول سيارة فورمولا 1 مصنوعة من ألياف الكربون في الثمانينيات، بدأت فرق الفورمولا 1 الأخرى تلاحقها، وفي النهاية انتقلت الفكرة التي طُورت أصلاً لسباقات الحلبات إلى الطرق العادية مع سيارة McLaren F1 لعام 1992 التي كانت الأولى في استخدام مركبات ألياف الكربون، تلتها Ferrari و Lamborghini.
ومع ذلك، فإن التكلفة العالية للمواد المركبة وتعقيد عملية تصنيعها يعني أن أجزاء محددة فقط من السيارات تُصنع من ألياف الكربون أو المركبات المقواة بألياف الكربون (CFRP).
وبالمثل، وجدت الفولاذ فائق القوة العالية والفرامل الكربونية-السيراميك طريقها إلى السيارات اليومية. المواد ليست الابتكار الوحيد الذي انتقل من السيارات الرياضية الفاخرة إلى السوق العامة.
العمليات مثل التصنيع الإضافي، التي بدأ صانعو السيارات في استكشافها لطباعة أجزاء ثلاثية الأبعاد من السيارات الفاخرة، هي مثال آخر. بمجرد توسيع نطاق هذه العمليات، طبق المصنعون هذه التقنيات على أجزاء السوق العامة بسهولة.
الابتكار في الاستدامة هو مثال آخر رئيسي. إلى جانب مركبات الألياف الطبيعية، نفذت العلامات التجارية الفاخرة مركبات قائمة على الكائنات الحية، ألياف كربون معاد تدويرها، وإنتاج ألمنيوم أكثر خضرة لتلبية متطلبات الانبعاثات.
إلى جانب كونها منصة اختبار للمواد الصديقة للبيئة، تم دمج تقنيات مثل أنظمة النقل، التعليق، فرامل الأقراص، أنظمة المعلومات والترفيه المتطورة، ومعدات السلامة المتقدمة أولاً في السيارات الفاخرة بشكل ما.
لذلك، تسمح السيارات الرياضية الفاخرة أساسًا للمصنعين باختبار تقنيات وتصاميم متقدمة بتكلفة منخفضة قبل أن تُنتج للجمهور، وهو ما يتضمن قيودًا مثل التكلفة، عدم المرونة، نقص التخصيص، احتمال انخفاض الجودة، ومخاطر المخزون غير المباع.
من خلال تقديم قدرات جديدة في هذه النماذج الفاخرة ذات الإصدارات المحدودة، يحصل المصنعون على سيطرة أفضل على التقنية والعمليات، مما يسمح لهم بوضع معايير جديدة وتمكين الآخرين من الابتكار.
الاستثمار في تقنية مركبات الألياف الطبيعية
تُعد شركة Hexcel Corporation رائدة في مواد المركبات، حيث تشمل مجموعة منتجاتها ألياف الكربون للاستخدام في الطيران التجاري، الفضاء والدفاع، والتطبيقات الصناعية. كما تشارك في التعزيزات المتخصصة وغيرها من المواد المصفوفة المقواة بالألياف، الراتنجات، الخلايا النحلية، والهياكل المركبة.
قبل بضع سنوات، أعلنت Hexcel عن تطوير مجموعة منتجات جديدة تجمع بين محتوى الراتنج المستمد من الكائنات الحية وتعزيزات الألياف الطبيعية لإنشاء حلول مواد للسيارات وتطبيقات أخرى.
في ذلك الوقت، أشارت الشركة إلى أن مجموعة HexPly Nature تمنح المصنعين خيار التحول من حلول المواد القائمة على البترول إلى حلول حيوية دون المساومة على الأداء أو كفاءة العملية.
Hexcel Corp (HXL )
فيما يتعلق بأداء سوق Hexcel، لديها قيمة سوقية تبلغ 4.57 مليار دولار حيث يتم تداول أسهم HXL بسعر 56.87 دولار، بانخفاض 9.3٪ منذ بداية العام. وتبلغ ربحية السهم (TTM) 1.51 ومضاعف السعر إلى الأرباح (TTM) 37.66. نسبة العائد على الأرباح الموزعة هي 1.20٪.
فيما يتعلق بالبيانات المالية، أبلغت الشركة عن مبيعات بلغت 457 مليون دولار للربع الأول من عام 2025، تشمل 280.1 مليون دولار في الطيران التجاري و176.4 مليون دولار في الدفاع والفضاء وغيرها. وكان ربح السهم المخفف وفقًا لمبادئ المحاسبة المقبولة عمومًا (GAAP) 0.35 دولار، ورصيد ربح السهم المخفف المعدل 0.37 دولار. بلغت هامش الربح الإجمالي للربع 22.4٪.
في الربع الأول من عام 2025، كان صافي النقد المستخدم في الأنشطة التشغيلية 28.5 مليون دولار، والنفقات الرأسمالية على أساس نقدي 26.1 مليون دولار. بينما كان التدفق النقدي الحر سالبًا بمقدار (54.6) مليون دولار.
خلال هذه الفترة، أعادت Hexcel 64 مليون دولار للمساهمين من خلال إعادة شراء الأسهم وتوزيع الأرباح. كما أعادت تمويل 300 مليون دولار من الديون ذات الفائدة الثابتة.
«القيمة الأساسية التي تقدمها Hexcel لا تزال قوية، مدفوعة بالطلب على مركباتنا الخفيفة المبتكرة، والتي ستولد نموًا قويًا في المبيعات الدورية والقطاعية على المدى الطويل.»
– الرئيس التنفيذي توم جنتيل
أحدث أخبار وتطورات سهم Hexcel Corp (HXL)
الأفكار النهائية: مستقبل الألياف الطبيعية في السيارات
مع سعي صانعي السيارات لتحقيق أهداف خفض الكربون، من المتوقع أن تلعب الألياف الطبيعية دورًا حاسمًا. بينما تظل ألياف الكربون ذات قيمة بفضل قوتها الفريدة، تكتسب مركبات الألياف الطبيعية، وخاصةً الحلول القائمة على الكتان، زخمًا بفضل إمكانيتها في إحداث ثورة في إنتاج السيارات.
من خلال تقليل انبعاثات الكربون، وتمكين التصاميم الخفيفة الوزن، وتلبية المتطلبات الصارمة للأداء، تمثل مركبات الألياف الطبيعية بديلًا جذابًا لألياف الكربون. تعد هذه المركبات الطبيعية الابتكار التالي المهم، مما يساعد على توسيع نطاق التنقل المستدام من السيارات الرياضية الفاخرة إلى السيارات اليومية، ودفع صناعة السيارات نحو مستقبل أكثر خضرة.
