Uhlíkové nanotrubice sa dlhé roky považovali za materiál budúcnosti, no ich praktické využitie brzdili technologické limity. Najnovší výskum ukazuje, že ich nasadenie v reálnych aplikáciách môže byť bližšie, než sa očakávalo.
Dokážu uhlíkové nanotrubice v budúcnosti nahradiť meď v elektroinštaláciách? Koláž autora. Zdroj: IMDEA Materials Institute
Meď je už desaťročia základným materiálom elektrických káblov, motorov aj energetických sietí. Má výbornú vodivosť, je relatívne lacná a priemysel ju dokáže spracovať vo veľkých objemoch. Vedci však dlhodobo hľadajú materiál, ktorý by bol ľahší, pevnejší a zároveň dostatočne vodivý na to, aby mohol meď aspoň čiastočne nahradiť.
Najnovší výskum zo španielskeho inštitútu IMDEA Materials naznačuje, že takýto kandidát už možno existuje. Tím vedcov predstavil nové vlákna z uhlíkových nanotrubíc (CNT), ktoré dosahujú elektrickú vodivosť porovnateľnú s tradičnými elektrickými materiálmi, predovšetkým s meďou a hliníkom, pričom sú výrazne ľahšie. Výsledky publikoval prestížny časopis Science.
Nanotrubice z uhlíka
Uhlíkové nanotrubice patria medzi najzaujímavejšie materiály modernej nanotechnológie. Ide o extrémne tenké valcovité štruktúry tvorené atómami uhlíka usporiadanými do vrstvy podobnej grafénu. Napriek mikroskopickým rozmerom majú mimoriadne vlastnosti – sú veľmi pevné, ľahké a dokážu efektívne viesť elektrický prúd.
Vedci ich skúmajú už viac ako dve desaťročia, no problémom bola najmä výroba vo väčšom meradle. Doterajšie CNT vlákna síce vykazovali zaujímavé parametre, ale nedokázali dosiahnuť stabilnú vodivosť potrebnú pre praktické nasadenie v priemysle.
Prelom v elektrickej vodivosti
Španielski výskumníci teraz vyvinuli nový spôsob výroby CNT vlákien, pri ktorom medzi jednotlivé nanotrubice vkladajú tetrachlorohlinitanové anióny (AlCl₄⁻), špeciálne chemické látky (dopanty). Tento proces výrazne zlepšuje pohyb elektrónov medzi trubicami a tým aj celkovú vodivosť materiálu viac ako 17-násobne bez toho, aby vlákna prišli o svoje mimoriadne mechanické vlastnosti. Okrem toho proces nijako drasticky nepridáva na hmotnosti vlákien.
Podľa vedúceho výskumného tímu Juana Josého Vilatelu je to vôbec po prvýkrát, keď sa podarilo vyrobiť CNT vlákna s parametrami, vďaka ktorým predstavujú realistickú priemyselnú alternatívu ku komerčným vodivým materiálom. Pri izbovej teplote majú vodivosť až 24,5 MS/m (megasiemensov na meter). To je takmer polovica vodivosti medi, avšak pri šesťkrát nižšej hmotnosti drôtu.
PUZZLE X (15. – 17. novembra) je popredná a najprestížnejšia svetová platforma pre Frontier Tech for The Future. Zameriava sa na to, ako môžu najmodernejšie technológie v Matterverse formovať ďalšiu kapitolu pre mestá, občanov, priemysel a spoločnosti. Zdroj: Youtube/XPANSE
Najväčší prínos v oblasti dopravy
Práve nižšia hmotnosť robí z CNT vodičov mimoriadne atraktívnu technológiu pre elektromobily, lietadlá, drony alebo aj pre nadzemné elektrické vedenia. Podľa autorov štúdie by nové CNT vlákna mohli byť až päťkrát pevnejšie ako bežné vodiče používané v takýchto prenosových sieťach, pričom by vážili iba polovicu. Aj v moderných elektrických vozidlách totiž kabeláž často váži desiatky kilogramov a každé zníženie hmotnosti tak znamená vyššiu efektivitu a dlhší dojazd.
V letectve môže byť efekt ešte výraznejší. Každý kilogram navyše zvyšuje spotrebu paliva i prevádzkové náklady. Ak by sa podarilo nahradiť časť medených káblov ultraľahkými CNT vláknami, výrobcovia by mohli výrazne znížiť hmotnosť lietadiel alebo budúcich elektrických strojov.
Meď zrejme nezmizne, otázny je záujem monopolu
Napriek sľubným výsledkom však uhlíkové nanotrubice zatiaľ meď nenahradia. Výskumníci upozorňujú, že technológia musí vyriešiť viacero problémov od stability materiálu pri dlhodobom používaní až po cenu masovej výroby. Niektoré chemické úpravy, ktoré zvyšujú vodivosť CNT vlákien, môžu byť citlivé na vlhkosť alebo okolité prostredie. Vedci preto pracujú na ochranných vrstvách a ďalších úpravách, ktoré by zabezpečili desaťročia spoľahlivej prevádzky.
Odborníci preto neočakávajú, že uhlíkové nanotrubice úplne vytlačia meď z trhu. Skôr pôjde o postupné nasadzovanie v špecializovaných oblastiach, kde sú nízka hmotnosť a vysoká pevnosť dôležitejšie než samotná cena materiálu.
Ak sa však podarí technológiu ďalej zdokonaliť a zlacniť výrobu, CNT vodiče by mohli počas nasledujúcich rokov výrazne zmeniť elektrotechnický priemysel. To, čo dnes vyzerá ako experiment z laboratória, sa môže stať základom budúcich elektrických systémov v doprave, energetike aj vo vesmírnych technológiách.
Vedci skúšajú aj vylepšenú meď
Zaujímavé je, že časť výskumu sa nesústredí iba na úplné nahradenie medi, ale i na jej zdokonalenie. Vedci z amerického Národného laboratória pre severozápadné pobrežie Tichého oceánu (Pacific Northwest National Laboratory – PNNL) nedávno ukázali, že aj nepatrné množstvo grafénu dokáže výrazne zmeniť elektrické vlastnosti klasickej medi.
Grafén, ultratenkú vrstvu uhlíka s mimoriadnou vodivosťou, pridali do medi v koncentrácii iba približne 18 častíc na milión. Napriek takmer zanedbateľnému množstvu sa podarilo znížiť rast elektrického odporu pri zahrievaní približne o 11 percent. Materiál si zároveň zachoval veľmi dobrú vodivosť pri bežných teplotách.
Materiálová vedkyňa Keerti Kappagantulaová a jej kolegovia z amerického Národného laboratória pre severozápadné pobrežie Tichého oceánu vyvinuli vysokovodivý medený drôt. Zdroj: Andrea Starr/Pacific Northwest National Laboratory
Elektrické vodiče sa počas prevádzky prirodzene zahrievajú. S rastúcou teplotou však atómy kovu vibrujú intenzívnejšie, čo sťažuje pohyb elektrónov a zvyšuje energetické straty. Tento efekt obmedzuje účinnosť elektromotorov, nabíjacích systémov aj výkonovej elektroniky. Práve preto je každé zlepšenie mimoriadne cenné. Ak by sa podobné materiály podarilo nasadiť vo veľkom meradle, elektromobily by mohli byť efektívnejšie, dátové centrá úspornejšie a energetické siete stabilnejšie. I malé percentá úspor predstavujú totiž pri globálnej spotrebe elektriny obrovský rozdiel.
Budúcnosť pravdepodobne neprinesie jediného víťaza
Vývoj nových vodičov tak dnes smeruje dvoma paralelnými cestami. Na jednej strane vznikajú úplne nové materiály, ako sú uhlíkové nanotrubice, ktoré môžu v niektorých oblastiach meď nahradiť, na strane druhej vedci experimentujú s nanotechnologickým vylepšovaním samotnej medi pomocou grafénu či ďalších uhlíkových štruktúr.
Pozrite si
Je preto možné, že budúcnosť elektroinštalácií nebude patriť jedinému materiálu. V bežných aplikáciách môže dominovať modernejšia a efektívnejšia meď, zatiaľ čo v letectve, elektromobiloch alebo vo vesmírnych technológiách sa presadia ultraľahké CNT vodiče. Výsledkom môže byť úplne nová generácia elektrických systémov s nižšou hmotnosťou, menšími stratami a vyššou energetickou efektivitou.
Zdroje: IMDEA Materials, Science, Applied Physics, Ars Technica, Wikipedia, PNNL, Materials & Design
(RR)
