Meď sa desaťročia javila ako prakticky nedotknuteľný základ elektrických káblov. Nájdeš ju v elektromobiloch, lietadlách, dátových centrách aj energetických sieťach. Má však jeden problém, ktorý začína čoraz viac brzdiť moderné technológie, hmotnosť.
Práve preto vyvolal nový výskum zo španielskeho IMDEA Materials Institute taký rozruch. Vedcom sa totiž podarilo vytvoriť uhlíkové vlákna z uhlíkových nanorúrok (CNT fibres), ktoré dosiahli elektrickú vodivosť porovnateľnú s meďou a hliníkom, no pri výrazne nižšej hmotnosti.
Odoberaj Vosveteit.sk cez Telegram a prihlás sa k odberu správ
Zároveň nejde len o laboratórny experiment, výskumníkom sa podarilo dosiahnuť parametre, ktoré otvárajú dvere k priemyselnej adaptácii. Uhlíkové nanorúrky vedci skúmali už roky. Teoreticky vyzerali ideálne, hlavne kvôli ich extrémnej pevnosti, nízkej hmotnosti a schopnosti viesť elektrický prúd. Vodivosť však bola práve tým faktorom, ktorý ich brzdil od uplatnenia v praxi. nanorúrky síce dokázali viesť elektrický prúd, no klasická meď to zvládla oveľa lepšie za menšie peniaze. Teraz sa začína karta obracať.
Obohatenie uhlíkových nanorúrok prinieslo výrazný skok vo vodivosti
Výskumníci použili interkaláciu v plynnej fáze, pričom ide chemické vylepšenie nanorúrok pomocou tetrachlóraluminátu (AlCl4). Táto látka funguje ako dopant, materiál, ktorý dramaticky zlepší schopnosť viesť elektrický prúd. Najdôležitejšie však je, že vedci nepoškodili samotnú štruktúru nanorúrok. Anióny AlCl4 prenikli priamo medzi vysoko usporiadané zväzky nanorúrok bez toho, aby roztrhali uhlíkové väzby.
Zdroj: Unsplash (Frankie Lopez, CALITORE), Úprava: Vosveteit.sk
Práve to bol roky zásadný problém podobných experimentov. Mnohé dopanty síce zvýšili vodivosť, ale zároveň oslabili materiál alebo dramaticky zvýšili jeho hmotnosť, tu sa podarilo zachovať oboje.
Pred kúpou notebooku si skontroluj, či má tieto všetky porty. Inak to môžeš neskôr oľutovať
Vo výsledku dokázali výskumníci zvýšiť vodivosť CNT vlákien o viac ako sedemnásobok, v porovnaní s predchádzajúcimi verziami. Výsledná elektrická vodivosť ich materiálu dosiahla 24,5 MS/m (MegaSiemens na meter), teda približne polovicu vodivosti medi. Je to síce menšia vodivosť, akú dosahuje meď, no rozhodujúcim faktorom je to, že CNT vlákna sú šesťkrát ľahšie. Vedci totiž nehodnotia iba absolútnu vodivosť, ale aj tzv. mernú alebo špecifickú vodivosť, ktorá berie do úvahy pomer výkonu ku hmotnosti materiálu.
V tomto prípade nové CNT vlákna prekonávajú čistú meď.
To je obrovsky dôležité pre priemysel, pretože v elektromobiloch, lietadlách alebo dronoch rozhoduje každý kilogram. Ľahšie káble znamenajú nižšiu spotrebu energie, dlhší dolet alebo viac priestoru pre batérie a náklad.
„Prvýkrát sme dosiahli výkon, ktorý ponúka realistickú priemyselnú alternatívu ku klasickým vodivým materiálom,“ uviedol výskumník Juan José Vilatel z IMDEA Materials.
Využitie nie je len v doprave, ale aj energetike a ďalších sektoroch
Nový objav výskumníci opisujú ako historický, pretože jeho potenciál sa neukrýva len v doprave. Vedci tvrdia, že nové CNT káble by mohli byť až päťkrát pevnejšie v ťahu než klasické medené alebo hliníkové vedenia, pričom by vážili približne polovicu. Uplatnenie teda môžu nájsť aj v energetike, kde nadzemné vedenia limituje ich vlastná hmotnosť. Ak je kábel ťažší, potrebuje hustejšiu sieť stožiarov, ktorá by ho podporovala, napríklad pri silnom vetre alebo námraze.
Ak by kábel zvládol násobne vyššie napätie v ťahu pri nižšej hmotnosti, energetické siete by mohli stavať dlhšie rozpätia medzi stožiarmi a znížiť celkové mechanické zaťaženie infraštruktúry. Ďalšou mimoriadne dôležitou vlastnosťou je škálovateľnosť výroby.
To je zásadný rozdiel oproti mnohým starším experimentom s nanomateriálmi, ktoré vyzerali fantasticky na papieri, ale praktická výroba vo väčšom objeme zlyhala.
Zdroj: Unsplash (Jorge Salvador)
„Ukázali sme, že interkalácia v plynnej fáze dokáže zvýšiť vodivosť komerčných CNT vlákien výrazne nad ich doterajší strop,“ hovorí vedúca práce, Ana Inés de Isidro Gómez.
To ešte automaticky neznamená koniec medi. Meď zostáva lacná, overená a masovo dostupná. Nové materiály budú musieť prejsť rokmi testovania, kontroly stability a ekonomických analýz.
Nový materiál ale môže predstavovať bod, v ktorom elektrifikácia dopravy a energetiky vstupuje do novej fázy. V rámci nej sa už nezačne rozmýšľať len o nových batériách alebo motoroch, no výmena káblov za ľahšie môže predstavovať prudký skok vo výkone elektrických vozidiel.
Páčil sa vám článok? Sledujte nás na Facebooku