Намаляването на теглото е обща цел за дизайна на електрическите превозни средства, дроновете и космическите кораби. По-леките машини използват по-малко енергия, помагат на батериите да работят по-ефективно и могат да пътуват по-далеч. Това е свързано и с устойчивостта, защото по-добрите общи характеристики могат да намалят въглеродните емисии. Електрическите двигатели са в центъра на това усилие. Намотките им съставляват голяма част от теглото на двигателя, а повечето намотки използват мед. Медта е добър проводник на електричество, но поставя предизвикателства като проблеми с доставките на ресурси, колебания в цените и допълнително тегло поради високата си плътност.

Екип, ръководен от д-р Дае-Юн Ким от Института за композитни материали към Корейския институт за наука и технологии (KIST), е конструирал електрически мотор, който използва намотка, изработена само от въглеродни нанотръби (CNT), без метали. При тестовете екипът успя да контролира оборотите на двигателя в минута в съответствие с промените в входното напрежение. Това показва, че двигателят може да изпълнява основната си функция, превръщайки електрическата енергия в въртяща сила, без да използва метални проводници.

CNT са едноизмерни, тръбовидни наноматериали с въглеродни атоми, подредени в шестоъгълна структура на пчелна пита. Те са много по-леки от обикновените метали и са известни с високата си електропроводимост, голяма механична якост и добра топлопроводимост. Въпреки това, CNT срещат препятствия при реалното си приложение. Основен проблем са остатъците от катализаторни метали от производствения процес. Тези метални частици се залепват по повърхността на CNT и намаляват електрическите характеристики, което се отразява директно на частите на двигателя.

Екипът разработи нов процес за пречистване на CNT, който използва подреждащото поведение на течните кристали, „четвърто състояние на материята“, което се намира между течно и твърдо състояние. Когато CNT се подреждат, процесът естествено разбива струпванията и помага за отстраняването на метални частици от повърхността. Ключовият момент е, че той може да премахва селективно примесите, без да уврежда наноструктурата на CNT. Това го отличава от много методи за пречистване в течна и газова фаза. Резултатът са CNT с много по-добра проводимост, достатъчно висока, за да работят в реални електродвигатели.

След това изследователите формираха намотки от пречистените CNT и пуснаха двигатели, които показаха стабилен контрол на оборотите при различни напрежения. Ако този подход се мащабира, по-леките намотки биха могли да намалят теглото на двигателя и общата маса на системата. Това би могло също да намали зависимостта от медта и да ограничи излагането на рискове, свързани с цените и доставките. Бъдещата работа ще трябва да сравни плътността на мощността, ефективността, топлинното управление и разходите с медните конструкции при реални работни условия.

„Чрез разработването на нова концепция за висококачествена технология с CNT, която досега не е съществувала, успяхме да максимизираме електрическата производителност на CNT намотките за задвижване на електродвигатели без метал“, казва д-р Дае-Юн Ким. „Въз основа на иновациите в CNT материалите, ще поемем водеща роля в локализирането на материали като проводими материали за батерии, полупроводници и кабели за роботи.“

Снимка: Unsplash

Виж още: ROG Astral RTX 5090 Dhahab Edition ще докара сълзи от радост на геймърите и от мъка на джоба им