Κατασκεύασαν ηλεκτροκινητήρα που λειτουργεί χωρίς καθόλου μέταλλο στις περιελίξεις του
Καθώς η ηλεκτροκίνηση αναπτύσσεται με ταχείς ρυθμούς, η ανάγκη για πιο ελαφριές και αποδοτικές τεχνολογίες καθίσταται όλο και πιο επιτακτική. Επιστήμονες του Korea Institute of Science and Technology (KIST) φαίνεται να έχουν κάνει ένα αποφασιστικό βήμα προς αυτή την κατεύθυνση, παρουσιάζοντας έναν νέο τύπο ηλεκτροκινητήρα που λειτουργεί χωρίς καθόλου μέταλλο στις περιελίξεις του. Η καινοτομία βασίζεται σε αγώγιμα καλώδια από νανοσωλήνες άνθρακα (CNT), τα οποία αντικαθιστούν πλήρως τον χαλκό και το αλουμίνιο, προσφέροντας εντυπωσιακή εξοικονόμηση βάρους χωρίς να θυσιάζεται η λειτουργικότητα.
Το επίτευγμα αυτό έγινε δυνατό μέσω μιας προηγμένης μεθόδου επεξεργασίας που ονομάζεται Lyotropic Liquid Crystal-Assisted Surface Texturing (LAST). Η τεχνική αυτή χρησιμοποιεί λυοτροπικά υγρά κρυστάλλων για να ευθυγραμμίσει καλύτερα τους νανοσωλήνες και να απομακρύνει ανεπιθύμητες προσμίξεις μετάλλων από τη διαδικασία παραγωγής, χωρίς να αλλοιώνεται η μονοδιάστατη νανοδομή των CNTs που αποτελεί το κλειδί για τις αγώγιμες ιδιότητές τους.
Τα καλώδια που προέκυψαν από αυτή τη διαδικασία, τα λεγόμενα core-sheath composite electric cables (CSCEC), είναι εξαιρετικά λεπτά — περίπου 0,3 χιλιοστά συνολικού πάχους, δηλαδή όσο μια επαγγελματική κάρτα. Ωστόσο, παρά το μικρό τους μέγεθος, αποδείχθηκαν ικανά να τροφοδοτήσουν έναν μικρής κλίμακας ηλεκτροκινητήρα που κινεί ένα μοντέλο αυτοκινήτου, κατασκευασμένο εξ ολοκλήρου με βάση τα CSCEC καλώδια.
Ο Dr. Dae-Yoon Kim του KIST εξήγησε ότι η ομάδα ανέπτυξε μια νέα προσέγγιση στην τεχνολογία των νανοσωλήνων άνθρακα, η οποία επέτρεψε τη δημιουργία περιελίξεων με επαρκή απόδοση για να κινήσουν ηλεκτροκινητήρες χωρίς τη χρήση μετάλλων. Αν και τα μέχρι τώρα πειράματα περιορίζονται σε εφαρμογές χαμηλής τάσης, τα αποτελέσματα είναι ενθαρρυντικά.
Το ελαφρύτερο βάρος των CSCEC καλωδίων έχει ευρύτερες προεκτάσεις, ιδίως στον τομέα της ηλεκτροκίνησης. Σε ένα παράδειγμα, μια Tesla Model S με δύο κινητήρες περιλαμβάνει περίπου 68 κιλά κινητήρα, εκ των οποίων το 25% αφορά τον χαλκό στις περιελίξεις. Εάν αντικατασταθεί από CSCEC καλώδια, το συνολικό βάρος των κινητήρων μπορεί να μειωθεί κατά περίπου 16 κιλά, γεγονός που συνεπάγεται μικρότερη αδράνεια, ταχύτερη απόκριση, καλύτερη απόδοση ροπής και μικρότερες θερμικές απώλειες. Όλα αυτά μπορούν να μεταφραστούν σε μεγαλύτερη αυτονομία και μειωμένες απαιτήσεις για σύστημα ψύξης.
Παρά τα πλεονεκτήματα όμως, υπάρχουν σημαντικά εμπόδια. Η ηλεκτρική αγωγιμότητα των CNTs υπολείπεται ακόμη του χαλκού — περίπου 7,7 MS/m έναντι 59 MS/m. Αυτό σημαίνει ότι, για ίδιο μέγεθος και τάση, οι νανοσωλήνες μεταφέρουν λιγότερο ρεύμα. Στην πράξη, ο κινητήρας CNT του KIST έφτασε τις 3.420 στροφές ανά λεπτό, ενώ ο αντίστοιχος με χαλκό έφτασε τις 18.120. Ωστόσο, το βάρος του πυρήνα από CNT ήταν πέντε φορές μικρότερο, καθιστώντας την απόδοση ανά μονάδα βάρους σχεδόν συγκρίσιμη με αυτή του χαλκού.
Άλλο ένα σημαντικό ζήτημα είναι το κόστος. Η παραγωγή των καλωδίων από νανοσωλήνες κοστίζει σήμερα από 375 έως 500 δολάρια το κιλό, έναντι μόλις 10-11 δολαρίων για τον χαλκό. Επιπλέον, απαιτείται επανασχεδίαση ολόκληρων ηλεκτρικών συστημάτων ώστε να προσαρμοστούν στη διαφορετική γεωμετρία και τις απαιτήσεις των νέων υλικών.
Υπάρχει τέλος και το περιβαλλοντικό αποτύπωμα. Παρότι τα CNTs μειώνουν την κατανάλωση πρώτων υλών όπως ο χαλκός, η παραγωγή τους εξακολουθεί να απαιτεί μεγάλη ενεργειακή δαπάνη και να δημιουργεί τοξικά παραπροϊόντα, όπως υδροχλωρικό οξύ από τη χρήση χλωροσουλφονικού οξέος στη διαδικασία LAST. Το ερώτημα παραμένει αν αυτή η εναλλακτική είναι όντως πιο οικολογική από την εξόρυξη χαλκού.
[via]
