Miedź to ot metal od kabli, uzwojeń, instalacji, silników i elektroniki. Niegdyś specjalnych problemów z nim nie było, bo zapotrzebowanie na niego było niższe. Dopiero gdy świat zaczął jednocześnie pompować miliardy w samochody elektryczne, drony, centra danych, odnawialne źródła energii i modernizację sieci, okazało się, że ten “zwykły” materiał nagle staje się jednym z wąskich gardeł całej transformacji. Hiszpańscy badacze przybyli jednak na ratunek, bo pokazali włókna z nanorurek węglowych, które zaczynają zahaczać o poziom przemysłowo użytecznego przewodnika, choć nie wszędzie, a w konkretnej niszy.
Włókna z nanorurek węglowych wreszcie zbliżyły się do roli przewodu
Za tym konkretnym badaniem opublikowanym na łamach Science stoją naukowcy z IMDEA Materials Institute, Politechniki Madryckiej oraz zespołów z Saragossy. Ich praca skupia się w pewnym stopniu na uniezależnieniu elektrycznego sektora od miedzi, a to dzięki postawieniu na unikalny materiał. Najważniejsza liczba? 24,5 MS/m, czyli 24,5 megasiemensa na metr. Tyle bowiem osiągnęły proponowane przez badaczy włókna z nanorurek węglowych po procesie gazowej interkalacji.
Czytaj też: Nowy język projektowania elektroniki jutra? Naukowcy zbudowali istny molekularny warsztat
W przeliczeniu na klasyczne myślenie o przewodach oznacza to wprawdzie około 41 procent przewodności miedzi, ale przy masie niższej sześciokrotnie. Sama miedź nadal wygrywa więc w kwestii czystego przewodnictwa w tej samej objętości, ale przy liczeniu przewodności względem masy sytuacja przestaje być dla niej tak wygodna. Musimy też pamiętać, że miedź jest tania w obróbce, przewidywalna, świetnie znana inżynierom i doskonale wpasowana w normy oraz linie produkcyjne.
Nowe włókna CNT celują raczej w te obszary, w których masa samych przewodów staje się problemem, a cena materiałów nie gra aż tak wielkiej roli. Samochody elektryczne, drony, samoloty, eVTOL-e, satelity, okablowanie w lotnictwie czy napowietrzne linie energetyczne to zupełnie inna gra niż przewód w ścianie mieszkania. Zwłaszcza kiedy w grę wchodzi sprzęt wojskowy albo naukowy.
Sekret włókien CNT tkwi w interkalacji
Pojedyncze nanorurki węglowe potrafią mieć świetne właściwości, ale zrobienie z nich makroskopowego, długiego i stabilnego przewodu jest czymś zupełnie innym. Problemem są połączenia między rurkami, konkretne struktury, zanieczyszczenia, kontakt elektryczny i utrata właściwości przy przejściu od nanoświata do skali przemysłowej. Dlatego właśnie najciekawsze w tym osiągnięciu wydaje mi się nie samo użycie nanorurek, bo przecież o nich słyszymy od lat, a odszukanie sposobu obejścia ich największego problemu.
Hiszpanie wykorzystali w tym celu interkalację z udziałem anionów. W dużym uproszczeniu chodzi o wprowadzenie cząstek między wiązki nanorurek, aby poprawić przepływ ładunku, ale jednocześnie nie zaburzyć samej struktury materiału. Efekt? 17-krotny wzrost przewodności włókien z zachowaniem ich mechanicznych zalet. Tak ulepszone włókna z nanorurek węglowych pozostawały stabilne w suchych warunkach i zachowywały 80 procent przewodności po zabezpieczeniu przed wilgocią polimerową osłoną.
Czy taka alternatywa miedzi ma sens?
W samochodzie elektrycznym, samolocie czy dronie każdy kilogram jest problemem. Masa przewodów w większych systemach elektrycznych do niskich nie należy, więc jeśli można zmniejszyć wagę całego okablowania bez utraty użytecznej przewodności, to automatycznie sporo się zyskuje. Albo zasięgu, albo udźwigu, albo ot rezerwy projektowej na inne elementy. Jeśli zaś spojrzymy wyżej, a więc na cokolwiek, co lata i nieustannie walczy z siłą grawitacji, to każdy zaoszczędzony kilogram zaczyna mieć jeszcze większe znaczenie.
Czytaj też: Tak wygląda walka z niewidzialnym przeciwnikiem. Wykazali, że powietrze potrafi uderzyć jak ściana
Dlatego włókna CNT nie muszą być “lepszą miedzią” w każdym scenariuszu. Wystarczy, że będą lepsze tam, gdzie miedź jest zbyt ciężka. Ba, mogą nawet poprawić infrastrukturę, bo wedle autorów mają być pięć razy mocniejsze od konwencjonalnych przewodów napowietrznych i jednocześnie o połowę lżejsze. W takim zastosowaniu niższa masa jest parametrem wpływającym na słupy, zwisy, obciążenia mechaniczne i projekt całej linii.
Widać to też przy istniejących już silnikach elektrycznych bez metalowych cewek, gdzie nanorurki węglowe także pojawiają się jako pomysł na odchudzenie układów napędowych, choć nadal przegrywają z miedzią w prostym porównaniu przewodności. Z kolei przy grzałkach z nanorurek węglowych widać, że CNT zaczynają wchodzić w konkretne nisze przemysłowe.
Nanorurki mają za sobą lata przesadnych obietnic, ale coś się zmienia
Nanorurki węglowe miały zmienić świat. Czy to zrobiły? No, nie wydaje mi się, a szkoda, bo przecież miały wzmacniać konstrukcje, zastępować metale, poprawiać akumulatory, tworzyć nową elektronikę, zmieniać tekstylia, filtrować wodę i budować przyszłość kosmosu. Teraz jednak coś może się zmienić, bo coraz częściej trafiają do nas rzeczywiście unikalne i przydatne projekty, które na pierwszy rzut oka mają sens z punktu widzenia przemysłu. W tej konkretnej historii najbardziej podoba mi się to, że rozmowy w stylu “czy CNT mogą przewodzić prąd?” są przeszłością. Teraz czas na szukanie odpowiedzi na to, “czy CNT mogą stać się przewodem?”.
Czytaj też: Jak tu nie uwielbiać Słońca? Teraz stało się niszczarką do plastiku i źródłem paliwa przyszłości
Miedź więc nadal będzie obecna w naszych życiach, a jej cena zapewne nawet nie drgnie choćby w małym stopniu ze względu na pracę hiszpańskich badaczy. Z czasem jednak ten surowiec może przestać być aż tak kluczowy… i dobrze, bo prawdziwe rewolucje technologiczne zaczynają się u samych filarów dzisiejszego świata – materiałów, o których nawet nie myślimy, kiedy bierzemy do ręki telefon albo wsiadamy do samochodu.
Źródła: Science, IMDEA Materials Institute
