Kabel elektryczny z węglowych nanorurek

[KopalniaWiedzy.pl 357]

Na University of Cambridge powstały nanorurki węglowe, które mogą zostać użyte w roli przewodów elektrycznych. Kable stworzone z nanorurek są 10-krotnie lżejsze od miedzianych, znacząco poprawiłyby efektywność przesyłu prądu, a wykorzystane np. w samochodach zmniejszyłyby zużycie paliwa. Co więcej węglowe kable z Cambridge można łączyć z tradycyjnym okablowaniem, co dotychczas nie było możliwe.

Węglowe nanorurki to jedne z najbardziej wytrzymałych materiałów, jednak dotychczas nie potrafiliśmy kontrolować ich właściwości, co znacznie ograniczało ich praktyczne zastosowania. Uczeni z Cambridge potrafią obecnie jak nikt inny nadawać węglowym nanorurkom pożądane właściwości. Są one na tyle dobre, że można wytwarzać z nich przewody elektryczne.

Obecnie najdoskonalszym powszechnie używanym materiałem do budowy kabli jest miedź. Niestety, coraz wyraźniej widać jej wady. Na przykład w przypadku dużego, ważącego ponad 15 ton satelity, kable stanowią 33% wagi. Boeing  747 wozi na pokładzie ponad 2 tony miedzianego okablowania. Miedź ulega utlenieniu, jest podatna na zużycie wskutek wibracji, ulega uszkodzeniom wskutek przegrzania. O konieczności znalezienia alternatywy dla miedzianych przewodów elektrycznych przekonuje też raport The Outlook for Energy przygotowany przez ExxonMobil. Jego autorzy przewidują, że do roku 2040 zapotrzebowanie na energię elektryczną wzrośnie o 80%. Im większe zapotrzebowanie, tym większe ryzyko wyłączeń i awarii. Aby ich uniknąć konieczne jest albo pięciokrotne zwiększenie liczby słupów energetycznych albo wykorzystanie materiału bardziej efektywnego niż miedź.

Do wyprodukowania swoich kabli uczeni z Cambridge użyli procesu katalitycznej syntezy ciągłej węglowych nanorurek opracowany wcześniej przez ich kolegę, profesora Alana Windle'a. Proces ten wykorzystuje osadzanie z fazy gazowej do produkcji długich włókien. Odbywa się to w maszynie podobnej do urządzenia produkującego watę cukrową. Profesor Windle i doktor Krzysztof Kozioł opracowali metodę produkcji bardzo czystego materiału zawierającego jedno-, dwu- i wielościenne narnorurki. Ostatnio udoskonalili ją wytwarzając jeszcze czystszy materiał. Kontrolując grubość ścian nanorurek uczeni kontrolują ich chiralność. Nanorurki powstają w rektorze dzięki wtłaczaniu doń materiału prekursorowego (zwykle metanu) oraz katalizatora. Katalizatorem jest żelazo, które służy jako matryca do wzrostu nanorurek. Po dodaniu siarki lub wybranych rodzajów węgla, otrzymujemy rodzaj nanorurkowej "chmury", która jest na tyle zwarta, że można ją pozyskiwać z reaktora w procesie produkcji ciągłej w formie włókien w tempie 20 metrów na minutę. Włókna są następnie skręcane  w niezwykle lekki i wytrzymały przewód o średnicy 1 milimetra, który można pokryć izolacją i używać jako kabla elektrycznego. "Tworzenie węglowych kabli o długości metra jest proste. Nie musimy już polegać na milimetrowych fragmentach" - mówi Kozioł.

Zespół doktora Kozła opracował specjalny stop, który pozwala na łączenie kawałków węglowego kabla zarówno z podobnymi przewodami, jak i z tradycyjnymi metalowymi kablami. Węglowy kabel jest 10-krotnie lżejszy i do 30 razy bardziej wytrzymały niż kabel miedziany. Jest odporny na korozję, pozwala na przesłanie prądu o wyższym napięciu, a straty związane z nagrzewaniem się są znacznie mniejsze niż w kablu miedzianym.

Najpoważniejszą przeszkodą w praktycznym zastosowaniu kabli węglowych jest obecnie ich niższe przewodnictwo niż miedzi. Pojedyncze nanorurki mają milimetr długości, a każde połączenie między nimi wiąże się ze stratami przewodnictwa. Zespół z Cambridge pracuje obecnie nad stworzeniem węglowego kabla o przewodnictwie co najmniej tak dobrym jak miedź.