Південнокорейські дослідники розробили перший у світі повністю функціональний електродвигун, побудований повністю без металевих компонентів. Цей прогрес, що використовує вуглецеві нанотрубки (ВНТ) замість традиційних мідних котушок, є значним кроком до створення надлегких транспортних систем. Двигун демонструє покращену на 133% електропровідність і на 80% легший за традиційні конструкції.
«Чи то електромобілі, дрони чи космічні апарати, поширеною технічною проблемою для майбутнього транспорту є зменшення ваги. Зменшення ваги транспортного засобу не тільки зменшує споживання енергії, але й підвищує ефективність акумулятора та збільшує запас ходу», – йдеться у прес-релізі дослідників.
Двигун, розроблений командою Корейського інституту науки і технологій (KIST), працює ефективно і, як було показано, може рухати іграшкову машинку зі швидкістю понад пів метра за секунду.
«Розробивши нову концепцію високоякісної технології вуглецевих нанотрубок, якої ніколи раніше не існувало, ми змогли максимізувати електричні характеристики котушок з вуглецевих нанотрубок для керування електродвигунами без використання металу», – сказав доктор Де-Юн Кім з KIST.
Ця інновація має потенціал для зменшення ваги в різних застосуваннях, від електромобілів до космічних апаратів, зберігаючи при цьому продуктивність.
Подолання проблем чистоти
«ВНТ – це одновимірні трубчасті наноматеріали з атомами вуглецю, розташованими у формі гексагональної стільникової структури, які, як відомо, набагато легші за звичайні метали, водночас володіючи чудовою електропровідністю, механічною міцністю та теплопровідністю», – додали дослідники. Цей розробний продукт став можливим завдяки новому процесу очищення, який вирішує давню проблему досягнення чистоти, необхідної для заміни міді вуглецевими нанотрубками. Використовуючи метод очищення під назвою LAST (Lyotropic Liquid Crystal-Assisted Surface Texturing – ліотропне рідкокристалічне текстурування поверхні), дослідники видалили металеві домішки, які історично впливали на технологію нанотрубок, зберігаючи при цьому електричні властивості трубок.
Обмотки електродвигунів зазвичай використовують мідь через її високу електропровідність . Однак щільність міді, яка становить 8,9 грама на кубічний сантиметр, значною мірою впливає на загальну вагу системи. Вуглецеві нанотрубки мають порівнянну провідність – 1,7 грама на кубічний сантиметр, що дозволяє зменшити вагу двигуна більш ніж на 80%.
Головною проблемою було забруднення. Під час виробництва частинки металевого каталізатора вбудовуються у вуглецеві нанотрубки, що погіршує їхні електричні характеристики. Метод команди KIST, який називається процесом LAST (Lyotropic Liquid Crystal-Assisted Surface Texturing), використовує принципи, подібні до технології рідких кристалів, що використовується в РК-екранах.
Розчиняючи нанотрубки в хлорсульфоновій кислоті, дослідники створили рідкокристалічний стан, у якому трубки самовирівнюються. Коли цей розчин контактує з водою, він утворює хлоридну кислоту, яка видаляє домішки залізного каталізатора, залишаючи структури вуглецевих нанотрубок неушкодженими. Цей процес зменшив забруднення металом з початкових 12,7% до менш ніж 0,8%.
Показники ефективності та демонстрації
Очищені вуглецеві нанотрубні кабелі досягли електропровідності 7,7 мегасіменс на метр. Після вбудовування в двигун питома швидкість обертання – міра продуктивності на одиницю ваги – була в 1,06 раза нижчою, ніж у еквівалентного двигуна на основі міді. Двигун також працював безперервно протягом 60 хвилин під різними потужними навантаженнями.
Команда побудувала масштабну модель автомобіля, що працює на їхньому безметалевому двигуні, та випробувала її на асфальтових дорогах. Транспортний засіб подолав 10 метрів за 25 секунд. Хоча двигуни на основі міді досягли вищих абсолютних швидкостей у випробуваннях (1,35 метра за секунду порівняно з 0,52 метра за секунду для версії з нанотрубок), дроти з вуглецевих нанотрубок важили 78,75 міліграма, що значно менше, ніж 379,08 міліграма еквівалентних мідних дротів.
«Завдяки інноваціям у сфері вуглецевих нанотрубок (CNT) ми займемо лідируючі позиції в локалізації таких матеріалів, як провідні матеріали для батарей, плівки для напівпровідників та кабелі для роботів», – підсумував доктор Кім.