Przełom w technologii: Silniki elektryczne całkowicie bez metali

Przełom: Silniki elektryczne bez przewodników metalowych

Zespół badawczy pod kierownictwem dr. Dae-Yoon Kima z Korea Institute of Science and Technology (KIST) zaprezentował silnik elektryczny, którego uzwojenie stworzone jest wyłącznie z nanorurek węglowych (CNT) – bez użycia jakichkolwiek przewodników metalowych. Prototyp potwierdził skuteczną kontrolę obrotów (RPM) odpowiadającą zmianom napięcia wejściowego, udowadniając tym samym, że przetwarzanie energii elektrycznej na ruch obrotowy jest możliwe bez zastosowania metalu. To odkrycie może zrewolucjonizować podejście do lekkich silników elektrycznych wykorzystywanych w pojazdach elektrycznych, dronach, statkach kosmicznych czy robotyce.

Czym wyróżniają się uzwojenia z nanorurek węglowych?

Nanorurki węglowe są jedno-wymiarowymi, cylindrycznymi nanomateriałami zbudowanymi z atomów węgla ułożonych w strukturę sześciokątną. Materiał ten jest znacznie lżejszy od miedzi i innych klasycznych metali, charakteryzuje się jednocześnie wysoką przewodnością elektryczną, wytrzymałością na rozciąganie oraz bardzo dobrą przewodnością cieplną. Te właściwości sprawiają, że uzwojenia z CNT stają się atrakcyjnym rozwiązaniem dla inżynierów szukających sposobów na redukcję masy silników elektrycznych oraz wydłużenie zasięgu na baterii.

Najważniejsze cechy silnika z uzwojeniem CNT

• Brak metali w przewodnikach: Całość uzwojenia wykonana jest z oczyszczonych nanorurek węglowych, co eliminuje zależność od kabli miedzianych czy aluminiowych.
• Niska masa konstrukcji: Mniejsze uzwojenie przekłada się na redukcję ogólnej wagi silnika i całego systemu.
• Stabilna kontrola prędkości obrotowej: Prototypy wykazały przewidywalną reakcję RPM w zależności od napięcia wejściowego.
• Zwiększona przewodność po oczyszczeniu: Nowatorski proces technologiczny znacznie ogranicza ilość metalicznych zanieczyszczeń na powierzchni CNT.

Innowacyjne oczyszczanie: uporządkowanie w fazie ciekłych kryształów

Dotychczasowe zastosowanie CNT w elementach elektrycznych ograniczały pozostałości metali katalitycznych po procesie produkcyjnym. Nanocząstki te przywierają do powierzchni CNT, zakłócając przepływ prądu. Naukowcy z KIST opracowali unikalną metodę oczyszczania, wykorzystującą zjawisko uporządkowania nanorurek w fazie ciekłego kryształu – stanie pośrednim między cieczami a ciałami stałymi. Podczas wyrównywania się CNT w tej fazie agregaty ulegają rozbiciu, a resztki metali zostają selektywnie usunięte, nie naruszając samej struktury nanorurek. Efektem jest uzyskanie wysokiej jakości materiału CNT o przewodności wystarczającej do zastosowania w uzwojeniach silników.

Porównanie i kompromisy względem uzwojeń z miedzi

W porównaniu do tradycyjnych uzwojeń miedzianych, rozwiązania oparte na CNT dają szansę na obniżenie masy, zmniejszenie zależności od dostaw miedzi oraz odporność na wahania jej cen. Nadal jednak miedź przoduje pod względem skali produkcji, efektywności zarządzania ciepłem i kosztu jednostkowego w szerokim zastosowaniu. Zespół KIST podkreśla konieczność gruntownego porównania takich parametrów jak gęstość mocy, sprawność energetyczna, odprowadzanie ciepła i koszty cyklu życia w warunkach eksploatacji realnych urządzeń.

Zalety

• Oszczędność masy wpływająca na wydłużenie zasięgu pojazdów, czasu lotu dronów oraz obniżenie masy przy starcie statków kosmicznych.
• Większa odporność na przerwy dostaw i wahania ceny miedzi dzięki ograniczeniu zapotrzebowania na ten surowiec.
• Nowe możliwości zastosowania – od baterii, przez szczeliny dla półprzewodników, aż po okablowanie robotów – dzięki wykorzystaniu technologii oczyszczania CNT.

Ograniczenia i dalsze wyzwania

Niezbędne jest zwiększenie skali procesu, zachowanie powtarzalnych właściwości termicznych, wdrożenie uzwojeń CNT do produkcji seryjnej oraz sprawdzenie ich niezawodności na dłuższą metę. Kluczowe będą testy związane z gęstością mocy i sprawnością, by ocenić, czy uzwojenia CNT mogą dorównać lub przewyższyć miedź w pojazdach elektrycznych i wymagających zastosowaniach przemysłowych.

Zastosowania i potencjał rynkowy

W najbliższej perspektywie lekkie silniki z uzwojeniami CNT mogą znaleźć zastosowanie w dronach, robotyce i specjalistycznych systemach lotniczych, gdzie liczy się każdy gram. W dłuższej perspektywie, przy założeniu opłacalnej produkcji, uzwojenia z nanorurek mogą pojawić się w silnikach pojazdów elektrycznych, napędach przemysłowych czy elektronice użytkowej wysokiej klasy – oferując producentom ekologiczną i przewidywalną kosztowo alternatywę dla miedzi.

„Opracowując zupełnie nową koncepcję wysokiej jakości technologii CNT, jakiej dotychczas nie było, zmaksymalizowaliśmy wydajność elektryczną uzwojeń CNT do zasilania silników bez udziału metalu”, mówi dr Dae-Yoon Kim z KIST. Zespół planuje rozwijać lokalizację materiałów CNT na potrzeby podzespołów akumulatorów, szczelin półprzewodnikowych oraz okablowania robotycznego w ramach szerzej zakrojonej komercjalizacji.

Dla liderów technologicznych i projektantów nowych produktów badania te otwierają nową ścieżkę materiałową: przewodniki bez metali, które mogą umożliwić projektowanie lżejszych, wydajniejszych i bardziej zrównoważonych systemów elektrycznych — jeśli tylko uda się sprostać wyzwaniom związanym z produkcją na skalę masową, zarządzaniem ciepłem i efektywnością kosztową.