Proveržis: elektriniai varikliai be metalinių laidininkų

Mokslininkų grupė, vadovaujama dr. Dae-Yoon Kim iš Korea Institute of Science and Technology (KIST), sukūrė elektrinio variklio prototipą, kurio ritė visiškai pagaminta iš anglies nanovamzdelių (CNT) — be tradicinių metalinių laidininkų. Prototipas parodė stabilų apsisukimų per minutę (RPM) valdymą reaguojant į maitinimo įtampos pokyčius, taip įrodydamas koncepciją, kad elektros energija gali būti efektyviai paversta sukamu judesiu naudojant metalų neturintį laidininką. Šis pasiekimas gali pakeisti požiūrį į lengvų elektrinių variklių dizainą, ypač elektromobiliams (EV), dronams, kosminėms sistemoms ir robotikai.

Kas daro CNT ritės ypatingas?

Anglies nanovamzdeliai yra vienmatės, cilindrinės nanomedžiagos, sudarytos iš anglies atomų, išdėstytų šešiakampėje gardelėje. CNT yra ženkliai lengvesni už varį ir daug tradicinių metalų, tuo pačiu pasižymėdami aukštu elektriniu laidumu, dideliu traukos stiprumu ir geru šilumos laidumu. Šios savybės daro CNT rites patraukliu pasirinkimu inžinieriams, siekiantiems kurti lengvesnius elektrinius variklius ir didinti akumuliatorių nuvažiuojamą atstumą.

Pagrindinės CNT ritės variklio savybės:

• Be metalinių laidininkų: ritė visiškai sudaryta iš išvalytų anglies nanovamzdelių, atsisakant vario ar aliuminio laidų.
• Mažas svoris: sumažinta ritės masė prisideda prie bendro variklio ir sistemos masės mažinimo.
• Stabili RPM kontrolė: prototipai parodė numatomą apsisukimų skaičiaus reakciją keičiant maitinimo įtampą.
• Pagerintas laidumas po valymo: naujas apdorojimo būdas žymiai sumažina metalines priemaišas ant CNT paviršių.

Inovatyvus valymas: skysto kristalo išlyginimas

Vienas iš pagrindinių kliuvinių naudoti CNT komerciniuose elektros komponentuose buvo likusios katalizatorių metalų dalelės, susidaržiusios gamybos metu. Šios metalinės nanodalelės prilimpa prie CNT paviršių ir trikdo elektrinius kelius. KIST tyrėjai sukūrė naują valymo metodą, pasinaudodami skysto kristalo išlyginimo elgsena — tarpinės būsenos tarp skysčio ir kietosios fazės. Kai CNT išsilygina skysto kristalo terpėje, susikaupimai byrėja, o metalinės priemaišos selektyviai pašalinamos nepažeidžiant nanovamzdelių struktūros. Rezultatas — aukštos kokybės CNT medžiaga su laidumu, pakankamu ritėms varikliuose.

Palyginimai ir kompromisai su varinėmis ritėmis

Palyginti su tradicinėmis varinėmis vyniotėmis, CNT ritės siūlo reikšmingą potencialą: mažesnė masė, mažesnė priklausomybė nuo vario tiekimo grandinių ir atsparumas vario kainų svyravimams. Tačiau svarbūs techniniai aspektai išlieka: varis vis dar dominuoja pagal brandų gamybos mastą, patikimą šilumos valdymą ir vienetinio laidininko kainą daugelyje taikymų. KIST komanda pažymi būtinybę atlikti išsamius palyginimus pagal galios tankį, energijos efektyvumą, šilumos išsklaidymą ir eksploatacijos sąnaudas palyginus su variniais varikliais realiomis sąlygomis.

Privalumai:

• Svorio taupymas, kuris gali padidinti elektromobilių nuvažiuojamą atstumą, prailginti dronų skrydžio trukmę ir sumažinti paleidimo masę kosminėms priemonėms.
• Tiekimo grandinės atsparumas mažinant vario poreikį ir jautrumą žaliavų kainų svyravimams.
• Galimi tarpsektoriniai pritaikymai akumuliatoriams, puslaidininkių plėvelėms ir robotikos laidams naudoti, pasitelkiant CNT valymo technologiją.

Apribojimai ir tolesni darbai

Tolimesni žingsniai apima proceso mastelio didinimą, nuoseklų šiluminio elgesio užtikrinimą, CNT ritės integraciją į masiškai gaminamus variklius ir ilgalaikį patikimumo patvirtinimą. Išsamūs bandymai dėl galios tankio ir efektyvumo nulems, ar CNT ritės galės pasiekti arba pranokti varį komerciniuose EV traukos varikliuose ir didelės galios pramoninėse taikymuose.

Panaudojimo atvejai ir rinkos svarba

Trumpuoju laikotarpiu CNT ritės gali būti taikomos lengvuosiuose varikliuose dronams, robotams ir specializuotoms aviacijos bei kosmoso sistemoms, kur kiekvienas gramas yra svarbus. Vidutiniu ir ilgalaikiu laikotarpiu, jei technologija bus ekonomiškai mastoma, CNT pagrindu pagamintos ritės galėtų pasirodyti elektromobilių varikliuose, pramoniniuose pavarose ir aukštos klasės vartotojų elektronikoje — siūlydamos gamintojams vario alternatyvą, kuri padeda tvarumui ir kainų prognozuojamumui.

Dr. Dae-Yoon Kim iš KIST pabrėžė, kad sukūrę naują CNT kokybės technologijos koncepciją, mokslininkai sugebėjo maksimaliai pagerinti CNT ritės elektrinius parametrus taip, kad variklis veiktų be metalo. Komanda planuoja plėtoti CNT medžiagų lokalizaciją laidžiuose akumuliatorių komponentuose, puslaidininkių pelikulėse ir robotikos kabeliuose kaip dalį platesnių komercializacijos pastangų.

Šis tyrimas technologijų lyderiams ir produktų kūrėjams atskleidžia naują medžiagų kryptį: metalų neturintys laidininkai, galintys atverti kelią lengvesnėms, efektyvesnėms ir tvaresnėms elektrinėms sistemoms — jei pavyks sėkmingai įveikti mastelio, šiluminio valdymo ir kaštų efektyvumo iššūkius.