Miedź i aluminium odchodzą do lamusa? Naukowcy z Korea Institute of Science and Technology (KIST) stworzyli pierwszy w pełni funkcjonalny silnik elektryczny bez jakichkolwiek metalowych cewek. Zamiast tego użyli przewodów z nanorurek węglowych, które są lżejsze, bardziej elastyczne i – w odpowiednich warunkach – niemal równie wydajne. To technologiczna rewolucja, która może odmienić nie tylko motoryzację, ale i przemysł lotniczy, kosmiczny i energetykę. Szczegóły opisano w czasopiśmie Advanced Composites and Hybrid Materials.
Oto silnik przyszłości
Nowa technologia opiera się na tzw. przewodach CSCEC (ang. core-sheath composite electric cables) o grubości zaledwie 0,3 mm, czyli mniej więcej tyle, co typowa wizytówka. Składają się one z przewodzącego rdzenia z nanorurek węglowych (CNT) o średnicy 256 mikrometrów i 10-mikronowej warstwy izolacyjnej. Choć wyglądają niepozornie, mają potencjał do zasilania realnych układów napędowych.
Czytaj też: Szaleństwo czy geniusz? Ferrari tworzy silnik V12, jakiego jeszcze nie było
Kluczowym elementem tego osiągnięcia jest proces LAST (ang. Lyotropic Liquid Crystal-Assisted Surface Texturing), który umożliwia uporządkowanie i oczyszczenie nanorurek z metalicznych zanieczyszczeń powstałych podczas ich syntezy. Dzięki temu przewodność elektryczna wzrasta o ponad 130 proc., a lekkość i elastyczność materiału pozostaje bezkonkurencyjna.
Zespół z KIST zbudował demonstracyjny silnik elektryczny, w którym całkowicie zastąpiono miedziane uzwojenia przewodami CNT. Urządzenie, mimo że działało na napięciu zaledwie 2-3 V i mocy 3,5 W, z powodzeniem napędziło modelowy samochodzik, osiągając prędkość obrotową ponad 3400 RPM. Dla porównania: silnik z uzwojeniami miedzianymi przy tych samych parametrach osiągał 18 000 RPM, ale ważył znacznie więcej.
Masa przewodu CNT była pięciokrotnie niższa niż miedzianego odpowiednika, co skutkowało tylko minimalnie niższą wydajnością w przeliczeniu na jednostkę masy. A to właśnie masa, szczególnie w lotnictwie i elektromobilności, decyduje dziś o sukcesie.
Warto dodać, że w typowym elektrycznym samochodzie osobowym – np. Tesli Model S – silniki ważą łącznie ok. 68 kg, z czego nawet 25 proc. przypada na miedziane uzwojenia. Zastąpienie ich lekkimi przewodami CSCEC oznaczałoby oszczędność blisko 16 kg. Choć pozornie niewielka, różnica ta przekłada się na mniejszą bezwładność, szybsze przyspieszanie, efektywniejsze chłodzenie i dłuższy zasięg – wszystko to przy tej samej baterii.
W eVTOL-ach, takich jak powietrzna taksówka Joby Aviation, potencjał redukcji masy jest jeszcze większy. Przy sześciu silnikach i setkach kilogramów okablowania, przejście na CNT mogłoby odchudzić maszynę nawet o ćwierć tony. A w branży, gdzie każdy kilogram kosztuje dziesiątki tysięcy dolarów i skraca zasięg, taka zmiana to potencjalna rewolucja.
Od transportu drogowego po latające taksówki
Nanorurki węglowe wciąż nie dorównują miedzi pod względem przewodności elektrycznej – osiągają ok. 7,7 MS/m wobec 59 MS/m miedzi. W praktyce oznacza to, że przy tych samych wymiarach i napięciu, przez przewód CNT popłynie mniej prądu. Dlatego też silnik z przewodami CNT uzyskał niższe obroty niż jego miedziany odpowiednik.
Czytaj też: Największy na świecie silnik na metanol już gotowy. Waży prawie 2000 ton i robi wrażenie
Nie bez znaczenia są też koszty. Produkcja przewodów CSCEC to dziś wydatek rzędu 375-500 dolarów za kilogram, podczas gdy miedź kosztuje zaledwie 10-11 dolarów/kg. Co więcej, przejście na CNT wymagałoby całkowitego przeprojektowania komponentów: innej geometrii uzwojeń, nowego systemu izolacji, zmiany parametrów pracy silników.
Choć nanorurki zmniejszają masę systemów i zużycie energii, ich produkcja wciąż obarczona jest kosztami środowiskowymi. Większość CNT powstaje z węglowodorów w energochłonnych procesach chemicznych. Sam LAST wykorzystuje kwas chlorosulfonowy, a w jego efekcie powstaje toksyczny kwas solny. To rodzi pytanie: czy “zielona” alternatywa dla metali faktycznie jest ekologiczna?
Z drugiej strony, wydobycie miedzi – wymagające intensywnego górnictwa, zużycia wody i energii – również niesie poważne konsekwencje środowiskowe. W dłuższej perspektywie, jeśli uda się opracować bardziej zrównoważoną metodę syntezy CNT, bilans ekologiczny może zacząć się przechylać na ich korzyść.
Osiągnięcie KIST można uznać za pierwszy krok ku przyszłości, w której silniki elektryczne nie będą wymagały ani grama metalu. Jeśli naukowcom uda się zwiększyć przewodność, obniżyć koszty i ograniczyć wpływ na środowisko, CNT mogą stać się nowym złotym standardem przewodzenia prądu – lekkim, elastycznym i przyszłościowym. Świat elektromobilności czeka na takie właśnie innowacje.