«Είτε πρόκειται για ηλεκτρικά οχήματα, drones είτε για διαστημόπλοια, μια κοινή τεχνική πρόκληση για τις μελλοντικές μεταφορές είναι η μείωση του βάρους. Η μείωση του βάρους ενός οχήματος όχι μόνο μειώνει την κατανάλωση ενέργειας, αλλά αυξάνει και την απόδοση της μπαταρίας και αυξάνει την αυτονομία», ανέφεραν οι ερευνητές σε δελτίο τύπου.
Ο κινητήρας, που αναπτύχθηκε από μια ομάδα στο Κορεατικό Ινστιτούτο Επιστήμης και Τεχνολογίας (KIST), λειτουργεί αποτελεσματικά και έχει αποδειχθεί ότι τροφοδοτεί ένα αυτοκινητάκι με ταχύτητες που ξεπερνούν το μισό μέτρο ανά δευτερόλεπτο.
«Αναπτύσσοντας μια νέα αντίληψη για την τεχνολογία υψηλής ποιότητας CNT που δεν υπήρχε ποτέ πριν, καταφέραμε να μεγιστοποιήσουμε την ηλεκτρική απόδοση των πηνίων CNT για να κινήσουμε ηλεκτρικούς κινητήρες χωρίς μέταλλο», δήλωσε ο Δρ Dae-Yoon Kim του KIST.
Αυτή η καινοτομία έχει τη δυνατότητα να μειώσει το βάρος σε διάφορες εφαρμογές, από ηλεκτρικά οχήματα έως διαστημόπλοια, διατηρώντας παράλληλα την απόδοση.
Ξεπερνώντας τις προκλήσεις της καθαρότητας
«Τα CNT είναι μονοδιάστατα νανοϋλικά σε σχήμα σωλήνα με άτομα άνθρακα διατεταγμένα σε εξαγωνική κυψελοειδή δομή, τα οποία είναι γνωστό ότι είναι πολύ ελαφρύτερα από τα συνηθισμένα μέταλλα, ενώ ταυτόχρονα διαθέτουν εξαιρετική ηλεκτρική αγωγιμότητα, μηχανική αντοχή και θερμική αγωγιμότητα», πρόσθεσαν οι ερευνητές.
Αυτή η εξέλιξη κατέστη δυνατή χάρη σε μια νέα διαδικασία καθαρισμού που λύνει μια μακροχρόνια πρόκληση της επίτευξης της καθαρότητας που απαιτείται για να αντικαταστήσουν οι νανοσωλήνες άνθρακα τον χαλκό. Χρησιμοποιώντας τη μέθοδο καθαρισμού, που ονομάζεται διαδικασία LAST (Lyotropic Liquid Crystal-Assisted Surface Texturing), οι ερευνητές απομάκρυναν μεταλλικές ακαθαρσίες που έχουν επηρεάσει ιστορικά την τεχνολογία των νανοσωλήνων, διατηρώντας παράλληλα τις ηλεκτρικές ιδιότητες των σωλήνων.
Τα πηνία των ηλεκτρικών κινητήρων χρησιμοποιούν συμβατικά χαλκό λόγω της υψηλής ηλεκτρικής του αγωγιμότητας . Ωστόσο, η πυκνότητα του χαλκού, στα 8,9 γραμμάρια ανά κυβικό εκατοστό, συμβάλλει σημαντικά στο συνολικό βάρος του συστήματος. Οι νανοσωλήνες άνθρακα προσφέρουν συγκρίσιμη αγωγιμότητα στα 1,7 γραμμάρια ανά κυβικό εκατοστό, παρέχοντας τη δυνατότητα μείωσης του βάρους του κινητήρα κατά περισσότερο από 80%.
Η κύρια πρόκληση ήταν η μόλυνση. Κατά τη διάρκεια της παραγωγής, σωματίδια μεταλλικού καταλύτη ενσωματώνονται στους νανοσωλήνες άνθρακα, γεγονός που υποβαθμίζει την ηλεκτρική τους απόδοση. Η μέθοδος της ομάδας KIST, που ονομάζεται διαδικασία LAST (Lyotropic Liquid Crystal-Assisted Surface Texturing), χρησιμοποιεί αρχές παρόμοιες με την τεχνολογία υγρών κρυστάλλων που βρίσκεται στις οθόνες LCD.
Διαλύοντας τους νανοσωλήνες σε χλωροσουλφονικό οξύ, οι ερευνητές δημιούργησαν μια υγρή κρυσταλλική κατάσταση όπου οι σωλήνες αυτοευθυγραμμίζονται. Όταν αυτό το διάλυμα εκτίθεται σε νερό, παράγει υδροχλωρικό οξύ που απομακρύνει τις ακαθαρσίες του καταλύτη σιδήρου, αφήνοντας άθικτες τις δομές των νανοσωλήνων άνθρακα. Αυτή η διαδικασία μείωσε τη μόλυνση των μετάλλων από ένα αρχικό 12,7% σε λιγότερο από 0,8%.
Μετρήσεις απόδοσης και επιδείξεις
Τα καλώδια από καθαρισμένους νανοσωλήνες άνθρακα πέτυχαν ηλεκτρική αγωγιμότητα 7,7 μεγασίμενς ανά μέτρο. Όταν ενσωματώθηκαν σε έναν κινητήρα, η ειδική ταχύτητα περιστροφής - ένα μέτρο απόδοσης ανά μονάδα βάρους - ήταν 1,06 φορές χαμηλότερη από έναν ισοδύναμο κινητήρα με βάση το χαλκό. Ο κινητήρας λειτούργησε επίσης συνεχώς για 60 λεπτά υπό διάφορα φορτία ισχύος.