Корейски изследователи създадоха малък електромотор, чиито кабели са изработени изцяло от въглеродни нанотръби – цилиндри от графен с широчина едва няколко нанометра. Моторът работи без медни проводници, което значително намалява теглото, като същевременно поддържа добра скорост при ниско напрежение. Откритието отваря пътя към по-леки кабели за автомобили и самолети и предлага начин за намаляване на емисиите от производството чрез замяна на тежки метали с прецизни въглеродни структури.

По-лек път към задвижващата сила

Проектът е ръководен от Ки-Хюн Рю от Корейския институт за наука и технологии (KIST). Екипът описва кабели, които комбинират подредени нанотръбни проводници с тънко изолационно покритие.

За да организират нанотръбите, изследователите са използвали процес, наречен лиотропен течен кристал – флуидна фаза, в която молекулите с пръчковидна форма се подреждат в една посока. Това подреждане позволява на множеството малки проводници да действат като един цялостен кабел.

Рю заяви, че са успели да задвижат умален модел на автомобил с помощта на изцяло безметален мотор, изработен от високоефективни въглеродни кабели.

Демонстрационният двигател е работил с напрежение от 3 волта и е поддържал стабилни обороти, задвижвайки количка играчка по къса писта. Това показва, че концепцията е работеща и извън лабораторията.

Как се изработват новите кабели

Всеки кабел представлява композит с ядро и обвивка – проводима сърцевина с изолационно покритие. В прототипа ядрото е сноп от непрекъснати нанотръбни проводници с дължина около 30 см.

Специална стъпка за почистване на повърхността подобрява качествата на проводника. Екипът използва хлорсулфонова киселина – силна киселина, която разтваря сноповете от нанотръби и премахва остатъчните метали, които могат да блокират електроните.

Процесът на текстуриране, наречен LAST, е контролирана повърхностна обработка, която подобрява подреждането на структурата. По-чистите повърхности и по-доброто подреждане намаляват местата, където електроните се разсейват.

Тези промени повишават ефективната електрическа проводимост, която при тестовете достига 7,7 милиона сименса на метър.

Какво показват тестовете

При напрежение от 3 волта въглеродният мотор достига 3420 оборота в минута. За сравнение, подобна медна намотка достига 18 120 оборота в минута при същото напрежение, но тежи много повече.

Типичната проводимост на медта е около 5,9×10^7 сименса на метър, което обяснява по-високата скорост на медния мотор на този етап.

Теглото обаче разказва друга история. Проводникът от нанотръби е около пет пъти по-лек от медта, което означава огромни икономии на маса при намотките и кабелните снопове. Когато се сравни специфичната производителност – скорост на единица маса – разликата между двата материала намалява.

Прототипните кабели са останали стабилни в продължение на поне един час при нива на мощност до 3,5 вата. Тази издръжливост е важна за преминаването от лабораторни тестове към реални устройства.

Ограничения на технологията

Преходът от идеални нанотръби към обемни влакна води до съпротивление в точките на свързване между отделните нишки. Тези връзки намаляват макроскопичната проводимост в сравнение с тази на единичните тръби.

Отделните нанотръби могат да издържат на огромна плътност на тока – до около 10^9 ампера на квадратен сантиметър при експерименти. Обединяването на хиляди от тях без загуба на тази якост остава ключово предизвикателство.

Цената и мащабът на производство също са от значение. Производството на дълги, еднородни влакна с ниско съдържание на примеси е трудно, а процесите по обработка могат да бъдат енергоемки.

Въпреки тези препятствия, постоянният напредък в подреждането и чистотата на материала подобрява производителността. Последните резултати показват ясен път за повишаване на ефективността без добавяне на метали.

Потенциал за електрическите автомобили

Кабелните снопове са скрит консуматор на енергия в съвременните автомобили, особено при електрическите модели, които носят тежки комплекти кабели, свързващи основните системи. Замяната на метала с по-леки проводници може да увеличи пробега и да освободи пространство.

Използването на рециклирани метали вече значително намалява емисиите при производството. Според доклад от индустрията замяната на първична мед с регенериран материал в кабелните снопове може да намали въглеродните емисии с до 72% без компромис с производителността.

Кабелите от нанотръби биха могли да допринесат още повече, като намалят теглото в основата. По-малко маса означава по-малко енергия за задвижване на автомобила, особено при градско шофиране с често спиране и потегляне.

Правилата за безопасност и стандартите за конектори ще се нуждаят от актуализация, ако новите проводници навлязат в серийно производство. Геометрията и термичното поведение на намотките също могат да се променят, когато металите отстъпят място на въглеродните структури.

Въпросът за устойчивостта

Възниква въпросът какво се случва с материала в края на експлоатационния му живот. Скорошни изследвания показват, че листове от нанотръби могат да бъдат рециклирани и използвани отново с много малка загуба на свойства.

Този подход запазва подреждането и проводимостта след възстановяване на материала, което сочи към кръгов модел за високоефективните въглеродни проводници.

Химикалите, използвани в процеса, също изискват внимание. Разтворителите, които позволяват дисперсията на нанотръбите, трябва да бъдат отговорно събирани и неутрализирани.

Ясни правила и системи със затворен цикъл ще бъдат необходими, ако производството се разрасне. Общността, работеща с тези материали, вече тества подобни методи за контрол.

Защо науката зад откритието е важна

В основата на мотора е подреденият поток от електрони през мрежата от нанотръби. По-доброто подреждане намалява разсейването – случайни отклонения, които губят електрическа енергия под формата на топлина.

Правилното ориентиране позволява на по-голямата част от тока да се движи право по оста на проводника. Това намалява спада на напрежението и отделянето на топлина при една и съща мощност.

Работата на учените показва и стойността на внимателния контрол върху повърхността. Премахването на частици от катализатора намалява дефектните места, които могат да улавят заряд или да предизвикат повреди.

Тези подобрения водят до създаването на кабел, чиито характеристики надхвърлят суровите данни за проводимост. Ниската плътност на кабела прави всеки ват мощност по-ефективен на единица тегло.

Какво предстои

Освен в електромоторите, проводниците от нанотръби вече се използват и при батериите. Те действат като проводими добавки – малки агенти, които свързват активните частици и подобряват потока на заряд в електродите.

Бъдещите стъпки включват създаване на по-дебели намотки, по-добро отвеждане на топлината и оптимизирани изолационни покрития. Всяко от тези подобрения ще помогне лабораторните успехи да се превърнат в издръжливи компоненти.

Производителите на автомобили ще повдигнат въпроси за безопасността при катастрофа, ремонта и диагностиката. Тези проблеми са решими чрез интелигентен дизайн и тестове.

Ако инженерите успеят да продължат да повишават проводимостта, като същевременно поддържат разходите ниски, намотките без мед биха могли да намерят своята пазарна ниша. Първият работещ мотор е важен знак в тази посока.

Резултатите от изследването са публикувани в научното списание Advanced Composites and Hybrid Materials.