طور العلماء في معهد كوريا للعلوم والتكنولوجيا (KIST) فئة جديدة من الأسلاك النانوية الكربونية الخفيفة ، التي تتخلى عن النحاس والألومنيوم بالكامل. باستخدام عملية تسمى المسموح السطحية بمساعدة الكريستال السائل (الأخير) ، قاموا بإنشاء كابلات كهربائية مركبة مركبة (CSCEC) التي لا تدير الكهرباء فقط ، ولكنها مرنة ، والأهم من ذلك ، خفيفة الوزن للغاية.

كان كل سلك CSCEC حوالي 0.3 مم فقط ، بما في ذلك العزل. قلب الموصل ~ 256 ميكرون مع غمد 10 ميكرون ليكون محددًا. هذا حوالي سميك كبطاقة عمل ، ولكنه لا يزال قادرًا على تشغيل محرك الغزل.

حتى الآن ، كانت هذه CSCEC جيدة بما يكفي لاستبدال جميع النحاس في محرك كهربائي صغير يعتمد على CNT الذي يعمل على تشغيل سيارة طراز.

وقال الدكتور دايون كيم من كيست: “من خلال تطوير مفهوم جديد للتكنولوجيا عالية الجودة CNT التي لم تكن موجودة من قبل ، تمكنا من زيادة الأداء الكهربائي لملفات CNT لقيادة المحركات الكهربائية دون المعدن”.

كانت الحيلة هي العملية الأخيرة. إن استخدام بلورات سائلة lyotropic – وهي مرحلة من المادة التي تتدفق مثل السائل ولكن لا يزال لديها ترتيب اتجاهي مثل البلورة – يساعد على التوفيق والفصل بين أنابيب الكربون الفردية. جنبا إلى جنب مع شطف كيميائي ، تزيل العملية أيضًا شوائب المحفز المعدني الذي تم إنشاؤه أثناء التصنيع مع الحفاظ على البنية النانوية أحادية البعد المهمة التي تجعل CNTs مميزة للغاية.

يعزز الإجراء الأخير الموصلية بأكثر من 130 ٪ ، ويسقط الكثير من الوزن ، ويحافظ على أداء CSCECs مستقرة مع مرور الوقت.

عندما يتعلق الأمر بالكفاءة ، وعمر البطارية ، والمدى ، وكل مقياس آخر للذهاب إلى أبعد من ذلك ، أسرع ، أعلى ، إلخ ، .

المحركات الكهربائية التقليدية ، رغم أنها أخف بشكل عام من نظرائها على الجليد ، لا تزال ثقيلة نسبيا. يمكن أن يعزى قدر لا بأس به من هذا الوزن إلى لفات النحاس في Stators – ناهيك عن جميع الأسلاك النحاسية المرتبطة بها في تسخير السيارة.

تتحدث تطورات KIST الأخيرة إلى المحركات الكهربائية على وجه التحديد ، ولكن يأمل المرء أن يتم تطبيق هذه التكنولوجيا على الأسلاك الكهربائية العامة أيضًا.

خذ سيارات Bev (Battery Electric Oper) على سبيل المثال: حافز مزدوج يزن المحرك الأمامي للموديلات S حوالي 70 رطلاً (31.8 كجم) ، بينما يبلغ الجزء الخلفي حوالي 80 رطل (36.3 كجم). حوالي 25 ٪ من هذا الوزن المحرك هو لفات النحاس. إذا تم استبدالها بأسلاك CSCEC ، فقد يؤدي ذلك إلى رفع الوزن الإجمالي للمحرك الأمامي والخلفي من 150 رطل (68 كجم) إلى 115 رطل (52.2 كجم).

قد لا يبدو كمية ضخمة على سيارة تزن بالفعل 4561 رطل (2069 كجم) ، ولكن عليك أيضًا أن تأخذ في الاعتبار القصور الذاتي السفلي. الكتلة الدوارة الأقل تعني احتمال تدور أسرع ، واستجابة خنق أفضل ، وتسليم عزم الدوران أكثر كفاءة وخسائر ميكانيكية أقل. سيكون الحمل الحراري أيضًا أقل ، لذا يمكن الآن جعل نظام التبريد أصغر وأخف وزنا. إنه تأثير متتالي يؤدي فقط إلى عمر بطارية أفضل ومدى أطول.

هذا كل شيء افتراضي فقط على أساس ومع ذلك ، اختبرت KIST محركها الكهربائي بين 2 و 3 فولت عند 3.5 واط-أرقام الطاقة المنخفضة بشكل ملحوظ من أي سيارة كهربائية في العالم الحقيقي أكبر من لعبة الأطفال.

لكن بما أنني في ظل افتراضي ، فلنذهب إلى أبعد من ذلك لثانية: في حين لا توجد بيانات عامة عن محتوى النحاس الفعلي ، كنت أتخمين تعليما وأقول أن لديها 200-300 رطل (91-136 كجم) من تسخير الأسلاك لجميع أنظمتها الزائدة. لديها ست محركات ، كل منها على الأرجح حوالي 30-40 رطل (13.6-18.1 كجم) من اللفات النحاسية ، ويبلغ مجموعها 180-240 رطل (81.6-108.9 كجم) في الكل.

مرة أخرى ، تحدثت KIST فقط عن لفات المحركات الكهربائية في الجهد المنخفض ، ولكن إذا تمكن الباحثون من حل الجهد العالي والأسلاك العامة مع CSCEC ، فإننا نتحدث عن حلق 300-500 رطل (136-227 كجم) من التاكسي الجوي رقم واحد في العالم. أراهن إذا كنت قد سألت أي مهندس جوبي عما إذا كانوا يرغبون في التخلص من ربع طن من Evtol ، فربما كانوا فقط قبل الاتفاق بسهولة.

بالعودة إلى العالم الحقيقي ، هناك عدد قليل من المصيد والتحذيرات الأخرى في البحث حتى الآن.

حتى بعد العملية الأخيرة ، لا يمكن للأسلاك CNT مطابقة الموصلية الكهربائية الخام للنحاس (حوالي 7.7 ميجازين لكل متر مقابل 59 مللي ثانية/م). لنفس الأبعاد المادية والجهد ، يتدفق أقل التيار من خلال سلك CNT ، مما يؤدي إلى انخفاض الإخراج. في دراسة KIST ، على سبيل المثال ، تصدرت المحرك المستند إلى CNT 3420 دورة في الدقيقة ، بينما بلغ مكافئ النحاس 18120 دورة في الدقيقة.

لكن، يزن قلب موصل محرك CNT خُمس النحاس. وهذا يعني أن سرعة الدوران المحددة – وهو مقياس فترات فنية مفيدة ، حيث كان الوزن مهمًا بشكل عام أكثر من القوة – كان أقل فقط 1.06 مرة من النحاس. لذلك ، الأداء لكل وحدة وزن ليس بعيدًا عن النحاس في هذا الصدد.

ثم هناك تكلفة. يمكن أن تكلف الكابلات الكهربائية المتخصصة في الأنابيب النانوية الكربونية المركب إلى ما يصل إلى $ 375-500 لكل كيلوغرام لتصنيع مقابل النحاس الصغيرة نسبيًا من 10 إلى 11 دولارًا لكل كيلوغرام.

وليس الأمر كما لو أنك ستتمكن من تبديل النحاس ببساطة لتكنولوجيا CNT على المنتجات الموجودة. سيتعين على المهندسين إعادة تصميم كل شيء من الألف إلى الياء لاستيعاب أنواع جديدة من العزل والهندسة المتعرجة.

قال الباحثون إن المزيد من الضبط-مثل تحسين أغماد البوليمر أو محاذاة CNTs بشكل أفضل-يمكن أن يعزز الموصلية ، مما يؤدي إلى سد الفجوة بالنحاس أكثر.

على الرغم من أن CNTs يمكن أن تقلل من كتلة المواد بشكل كبير ، فإن تصنيعها لا يأتي بدون سعر بيئي ضخم-لا يزال معظمهم مصنوعًا من الوقود الأحفوري في العمليات المتعطشة للطاقة التي تولد منتجات ثانوية سامة لا يزال يتعين علينا التنافس عليها. على سبيل المثال ، تستخدم العملية الأخيرة حمض الكلوروسلفونيك وتنشئ حمض الهيدروكلوريك في مرحلة الشطف.

ولكن هل تعدين الشريط للنحاس أفضل؟

مصدر: