آیا یک پیشرفت آزمایشگاهی میتواند کل یک صنعت را برای نسلها تغییر شکل دهد؟ در سال ۱۹۵۹، دکتر آکیو شیندو – محققی در موسسه تحقیقات صنعتی دولتی ژاپن در اوساکا (GIRIO) – حق ثبت اختراعی را برای روشی جدید برای ساخت فیبر کربن از پلیآکریلونیتریل (PAN)، یک پلیمر مصنوعی که اکثر محققان از آن دست کشیده بودند، ثبت کرد. امروزه، فیبرهای کربن مبتنی بر PAN در بدنه بوئینگ ۷۸۷، شاسی فرمول ۱، مخازن هیدروژن، پرههای توربین بادی، راکتهای تنیس و قاب دوچرخه یافت میشوند. بیش از شش دهه بعد، این صنعت در حال شکوفایی است – و قهرمان تجاری اصلی آن، صنایع Toray ، صدمین سالگرد خود را جشن میگیرد.
آژانس علوم و فناوری صنعتی، ژاپن
GIRIO در سال ۱۹۲۰ به عنوان یک موسسه تحقیقاتی عمومی برای حمایت از صنایع منطقه کانسای – به ویژه شرکتهای کوچک و متوسط - با تمرکز طولانی مدت بر منسوجات و مواد کربنی تأسیس شد. این موسسه در سال ۲۰۰۱ به AIST کانسای تغییر نام داد و همچنان دومین پایگاه تحقیقاتی بزرگ ژاپن است.
تمام تحقیقات GIRIO با یک ماموریت ثابت هدایت شده است: توسعه محصولاتی که کیفیت زندگی را بهبود میبخشند و از ایمنی و امنیت عمومی حمایت میکنند. در دهههای پس از جنگ جهانی دوم، تحقیق و توسعه کربن آن بر چالشهایی مانند افزایش چگالی محصولات کربنی و تولید مواد کربنی برای راکتورهای هستهای متمرکز بود – زمینه علمی که در نهایت موفقیت دکتر شیندو در سال ۱۹۵۹ بر آن بنا شد.
مشکل فیبر کربن قبل از سال ۱۹۵۹
تحقیقات در مورد فیبر کربن به اواخر قرن نوزدهم برمیگردد، زمانی که توماس ادیسون بامبو را کربنیزه کرد تا رشتههایی برای لامپهای اولیه بسازد. این رشتهها به سرعت با تنگستن جایگزین شدند و فیبر کربن برای دههها یک کنجکاوی علمی باقی ماند.
تا دهه ۱۹۵۰، محققان شرکت یونیون کاربید در ایالات متحده، اولین الیاف کربن مدرن را با استفاده از ریون به عنوان ماده پایه تولید میکردند. این فرآیند جواب میداد، اما ناکارآمد بود: تنها حدود ۲۰٪ از ریون به کربن تبدیل میشد و الیاف حاصل از نظر شکل و کاربرد محدود بودند. به یک مسیر کارآمدتر نیاز بود.
موفقیت دکتر آکیو شیندو در گیریو
در آوریل ۱۹۵۹، دکتر آکیو شیندو (۱۹۲۶-۲۰۱۶)، محقق کربن در GIRIO از سال ۱۹۵۲، مقاله کوتاهی در روزنامه صنعتی ژاپنی Machine Design در مورد فرآیند مبتنی بر ریون آمریکایی خواند. او فرصتی را که محققان آمریکایی از آن صرف نظر کرده بودند، مشاهده کرد: پلیآکریلونیتریل (PAN)، یک پلیمر مصنوعی که کار با آن دشوار بود.
پنج ماه بعد – تا سپتامبر ۱۹۵۹ – دکتر شیندو یک فرآیند کاری را توسعه داده بود. او با استفاده از PAN به عنوان ماده اولیه، به بازده کربن ۵۰ تا ۶۰ درصد، تقریباً سه برابر روش ریون، دست یافت. به طور کلی، فرآیند او شامل ریسیدن PAN خالص شده به الیاف، تثبیت آنها در دمای ۲۵۰ درجه سانتیگراد و سپس کربنیزه کردن آنها در دمای حدود ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد در محیطی در معرض هوا بود – جزئیاتی که برای کیفیت الیاف ضروری بود.
الیاف حاصل، قویتر، انعطافپذیرتر و مقاومتر در برابر حرارت نسبت به هر فیبر کربنی که قبلاً تولید شده بود، بودند. نکته مهم این است که آنها میتوانستند بدون از دست دادن این خواص، به شکلهای سهبعدی درآیند – که امکان کاربرد آنها را از بدنه هواپیما گرفته تا فریم دوچرخه و راکت تنیس فراهم میکند. امروزه، الیاف مبتنی بر PAN اکثریت قریب به اتفاق کل فیبر کربن تولید شده در سراسر جهان را تشکیل میدهند.
اختراع سال ۱۹۵۹: امکان انتقال فناوری
در ۷ سپتامبر ۱۹۵۹، دکتر شیندو یک درخواست ثبت اختراع داخلی را به اداره ثبت اختراعات ژاپن (JPO) ارائه داد و پس از آن درخواستهای بینالمللی نیز ارائه داد. این اختراع در سال ۱۹۶۲ با شماره ثبت اختراع ژاپنی ۳۰۴۸۹۲ اعطا شد. در آن زمان، GIRIO تازه شروع به ایجاد یک رویکرد رسمی به مالکیت معنوی (IP) کرده بود – تغییری که توسط مدیر کل، تاداشی سنگوکو، که در سال ۱۹۵۸ با تمرکز روشن بر حقوق مالکیت معنوی به این سمت منصوب شده بود، هدایت میشد.
منطق ثبت اختراع، سرراست و آموزنده بود. اولاً، انتشار اختراع، فناوری را به جامعه صنعتی گستردهتر فاش میکرد و به شرکتهای ژاپنی نشان میداد که یک پیشرفت قابل صدور مجوز در دسترس است. ثانیاً، یک اختراع ثبتشده، انتقال رسمی فناوری را امکانپذیر میکرد: دارندگان مجوز میتوانستند از حمایت مداوم دکتر شیندو بهرهمند شوند و GIRIO میتوانست درآمدی برای سرمایهگذاری مجدد در تحقیقات ایجاد کند. در ژاپن پس از جنگ که بر بهبود اقتصادی و رقابتپذیری بینالمللی متمرکز بود، مالکیت فکری به عنوان پلی بین تحقیقات عمومی و صنعت خصوصی تلقی میشد.
الیاف کربن PAN همچنین پیشرفتهای موازی در خارج از کشور را تسریع کرد. به عنوان مثال، در سال ۱۹۶۴، دانشمندان موسسه هواپیمایی سلطنتی بریتانیا ، حق ثبت اختراعی برای نوعی با استحکام و مدول بالا ( GB 1,110,791 ) ثبت کردند که در اختیار وزارت دفاع بود و از طریق شرکت توسعه تحقیقات ملی به رولز-رویس، مورگانیت و کورتاولدز مجوز داده شد – مدلی مشابه مدل صدور مجوز از تحقیقات عمومی به صنعت، مشابه مدلی که GIRIO در ژاپن دنبال میکرد.
از الکترود توکای تا تورای: سفر صدور مجوز
دو شرکت اول دارنده مجوز GIRIO، Tokai Electrode و Nippon Carbon بودند که هر دو از پیشکسوتان الیاف کربن بودند. آنها در سال ۱۹۶۳ مجوزهای غیر انحصاری برای ثبت اختراع PAN دریافت کردند. اما اگرچه هر دو تخصص عمیقی در زمینه کربن داشتند، اما هیچ یک نمیتوانستند نخ PAN – ماده اولیه ضروری – را تولید کنند.
این وضعیت در سال ۱۹۷۰ تغییر کرد، زمانی که صنایع تورای – که در آن زمان بزرگترین تولیدکننده الیاف مصنوعی ژاپن بود – قرارداد صدور مجوز خود را با شرکت GIRIO منعقد کرد. تورای در سال ۱۹۶۱ یک مرکز تحقیق و تولید اختصاصی الیاف کربن افتتاح کرده بود و تا سال ۱۹۷۰ به تواناییهای اولیهای دست یافته بود که پیشینیانش فاقد آن بودند. سپس تورای قرارداد دومی را با شرکتهای توکای الکترود و نیپون کربن برای به دست آوردن تحقیق و توسعه انباشته آنها در ازای دریافت حق امتیاز منعقد کرد – که دانش فنی مورد نیاز برای تولید انبوه را تثبیت میکرد. تولید تجاری الیاف کربن تورای در سال ۱۹۷۱ آغاز شد.
تقاضای تجاری به طور غیرمنتظرهای از راه رسید. در اکتبر ۱۹۷۲، گلفباز آمریکایی، گی بروئر، با استفاده از چوبهای گلف با میلههای فیبر کربنی، در مسابقات مسترز باشگاه تایهیو برنده شد و مطبوعات ژاپنی گزارشهای گستردهای در مورد آن منتشر کردند. تورِی در سال ۱۹۷۳ خط تولید میلههای گلف فیبر کربنی را راهاندازی کرد و تقریباً بلافاصله تقاضا از عرضه پیشی گرفت. تا پایان سال ۱۹۷۴، تولید ماهانه تورِی بیش از دو برابر شده بود و این شرکت در حال گسترش به راکتهای تنیس، چوبهای ماهیگیری و سایر کالاهای مصرفی بود – در کنار تجارت رو به رشد هوافضا و دفاعی خود.
تورای امروز: ۱۰۰ سال رهبری در زمینه مواد پیشرفته
در آوریل ۲۰۲۶، شرکت تورای صدمین سالگرد تأسیس خود را با شعار «پیشگامی در تغییر برای جهان» جشن گرفت. شرکتی که در سال ۱۹۲۶ به عنوان یک شرکت تک محصولی تولید نخ ریون آغاز به کار کرد، اکنون با تقریباً ۴۸۰۰۰ کارمند ، بیش از ۳۰۰ شرکت وابسته در سراسر جهان و درآمد سالانه حدود ۲.۵ تریلیون ین ، به یک شرکت پیشرو در زمینه مواد پیشرفته در سطح جهانی تبدیل شده است .
امروزه کسبوکار Toray شامل الیاف و منسوجات، رزینها و مواد شیمیایی، فیلمها، مواد الکترونیکی و اطلاعاتی، مواد کامپوزیتی فیبر کربن، محصولات دارویی و پزشکی و غشاهای تصفیه آب میشود. فیبر کربن TORAYCA™ آن – که مستقیماً از اختراع دکتر شیندو در سال ۱۹۵۹ گرفته شده و یکی از موضوعات صدها پرونده ثبت اختراع Torayدر PATENTSCOPE است – همچنان ماده پیشرفته شاخص این شرکت است.
از سال ۲۰۲۵، شرکت تورای (Toray) بزرگترین تولیدکننده الیاف کربن در جهان است که سهم عمدهای از بازار جهانی الیاف کربن با استحکام بالا را در اختیار دارد و ظرفیت تولید ترکیبی گروه آن نزدیک به ۵۸۰۰۰ تن در سال الیاف معمولی و الیاف بزرگ در سایتهای تولیدی در ژاپن، ایالات متحده (از جمله یک کارخانه بزرگ در اسپارتانبورگ، کارولینای جنوبی )، فرانسه و کره جنوبی است. الیاف TORAYCA™ در برنامههای بزرگ هوافضا – از جمله بوئینگ ۷۸۷ – واجد شرایط هستند و به طور فزایندهای از گذار به انرژی پاک از طریق کاربرد در مخازن هیدروژن، وسایل نقلیه الکتریکی و توربینهای بادی پشتیبانی میکنند. شرکتهای گروه تورای، زولتک (الیاف کربن صنعتی بزرگ) و کامپوزیتهای پیشرفته تورای، سبد کامپوزیتهای جهانی این شرکت را تکمیل میکنند.
ژاپن میزبان چندین تولیدکننده برتر الیاف کربن در جهان است که در راس آنها Toray در کنار Teijin (الیاف کربن Tenax™) و Mitsubishi Chemical Group (الیاف کربن PYROFIL™) قرار دارند – و میراث صنعتی را که ثبت اختراع سال ۱۹۵۹ به ایجاد آن کمک کرد، ادامه میدهند.
میراث یک تصمیم ثبت پرونده
اختراع دکتر شیندو نمونهای بینظیر از چگونگی تسریع کل صنعت توسط مالکیت فکری تحقیقاتی است. افشای اختراع، این پیشرفت را قابل مشاهده کرد، در حالی که استراتژی صدور مجوز، آن را قابل انتقال و از نظر تجاری مقرون به صرفه ساخت. و نتیجه – کامپوزیتهای فیبر کربن مبتنی بر PAN – اکنون زیربنای همه چیز از هوانوردی تجاری گرفته تا ذخیرهسازی انرژی پایدار است.
Source: WIPO.int
