科学家正在探索以生物质材料而非化石燃料制造碳纤维的方法。
碳纤维是由近乎纯碳晶体构成的细丝，其强度是钢的五倍，刚度是钢的两倍。
碳纤维传统上生产成本高昂，且不可持续。
科学家正致力于将木质素转化为碳纤维。木质素是大多数植物中都含有的一种物质，也是造纸过程的副产品。
这种生物基碳纤维可用于建造轻型电动汽车和建筑物。
科学家正致力于碳纤维以生物质材料替代化石燃料制造碳纤维，旨在开发一种不产生碳排放的版本。
据高级科学家埃里克·弗兰克博士介绍，生物基碳纤维可用于制造续航里程更长的轻型电动汽车。
在建筑领域，混凝土可以用碳纤维代替钢材进行增强，从而建造超薄结构。
弗兰克表示：“这是一种神奇的材料，与金属相比，它非常坚固却又十分轻盈。”他是德国南部登肯多夫的德国纺织与纤维研究所碳纤维开发及新材料部门负责人。德国纺织与纤维研究所（位于德国南部登肯多夫）。
不过，他补充道：“碳纤维的碳足迹通常非常高。”
“普通碳纤维的原材料来自石油，但我们正努力摆脱这一现状，”他解释道。“生物基碳纤维的需求量远高于过去。我们收到了大量的订单。”
最初以植物基材料制成的碳纤维
碳纤维是由近乎纯碳晶体构成的极细丝线。其直径仅为5至10微米，强度是钢的五倍，刚度是钢的两倍。
该材料最初由植物基材料制成，包括纤维素和人造丝。弗兰克表示，后来由于化石燃料衍生版本价格更低、性能更高，生物基碳纤维失去了经济可行性。
但其生产过程需要消耗大量能源，并产生大量排放物和有毒物质。“如果我们希望碳纤维实现碳中和，就需要对整个流程进行重新设计，”弗兰克说。
在制造纤维时，石油首先被加工成剧毒的聚丙烯腈（PAN）。随后将其拉伸成细丝，并在无氧烤箱中加热。
生物基碳纤维需求持续增长
该工艺需要消耗大量能源，并且在碳原子以外的所有成分被烧掉的过程中产生污染。弗兰克表示：“几年前，这甚至还不是一个话题。人们只关心成本。”
“如今，可持续性变得更加重要，而石油也不再那么便宜，情况已今非昔比。碳纤维在其中扮演着重要角色，因为它的能源消耗非常大。”
弗兰克正在探索将木质素转化为碳纤维的方法。木质素是大多数植物中都含有的一种物质，也是造纸行业的副产品。
“我们正以木质素作为原材料，”他解释道。“这是一种废弃副产品，在造纸行业中大量堆积。通常情况下，它会被添加到混凝土或沥青中，或者被焚烧。而我们正将其用于制造碳纤维。”
“为此，我们采用化学方法对其进行提纯，并使其达到良好的状态，”他接着说道。“然后，我们可以将其纺丝成纤维，目前我们正尝试直接在水中完成这一步骤，而非使用有毒溶剂。所得到的纤维可以直接转化为碳纤维。”
碳纤维目前成本高昂且不可持续
他补充道，与PAN基纤维相比，生物基碳纤维的性能“处于中低端水平”。“我必须指出，生物基碳纤维不会取代PAN基纤维。它将只是并行存在的第二个市场。”
碳纤维被广泛用于制造飞机和汽车，以及自行车、网球拍和风力涡轮机等高性能产品。它极其轻盈，这意味着它能显著提升性能并降低能源需求。
然而，其生产成本高昂，且因不可持续性而声誉日益受损。
弗兰克表示：“在飞机制造中，碳纤维已被普遍采用。”“在电动汽车中，它有助于减轻重量，从而带来显著改善。”
“汽车行业希望转向碳纤维，但目前成本仍然过高，可持续性也不够。汽车行业极度受价格驱动，并且越来越倾向于采取更可持续的做法。”
去年，首座采用碳纤维增强混凝土的建筑项目启动。CUBE这是一座两层建筑，由Henn Architekten事务所设计，位于德国德累斯顿工业大学，计划于今年晚些时候竣工。
弗兰克表示：“目前，碳纤维增强混凝土已在小规模范围内得到应用，但尚未进入大规模普及阶段。”“其优势在于，混凝土可以做得更薄，同时仍能承受沉重荷载，因此能够设计出截然不同的造型。目标是摆脱当前所使用的大量混凝土。”
生物基碳纤维的成本可能低于石油基产品
碳纤维成本高昂，部分原因在于其复杂且高耗能的生产工艺。弗兰克表示，全球年产量仅为15万吨。
该材料的另一个缺点是难以回收和处置，尽管目前已有多种再利用方式正在开发中。弗兰克表示：“许多人正在这一领域进行创新。”
“目前已有不少回收碳纤维，甚至已被用于产品中。当然，每经过一次循环，其性能都会下降，而且在某个时刻，它们最终都必须被处理掉。焚烧并不是一个可行的选择，因为它非常难以燃烧。很多时候，它被存放在废弃矿井中。”
空客公司“正在寻找可持续碳纤维”
然而，对可持续高性能材料的需求意味着，随着全球研发投入不断加大，生物基碳纤维可能很快就会变得更加经济实惠。
弗兰克表示：“所有行业都正被迫减少二氧化碳排放。”“这已不再是自愿行为，因为如果它们不这样做，成本将变得极其高昂。即使是空客等航空公司，也在寻找可持续碳纤维。”
他总结道：“我们正致力于利用植物的原材料，直接将其转化为碳纤维。”“这意味着，我们是通过植物从空气中获取碳，而非将石油或煤炭等化石来源的碳排放到大气中。”
