Carbon candy floss kunne hjælpe med at forhindre energiudfald

(Phys.org) —Ultra-light, højtydende elektriske ledninger, lavet af kulstof i stedet for kobber, er blevet udviklet i en brugbar form for første gang.

Super stærke ledninger lavet af kulstof nanorør, som betydeligt kunne forbedre effektiviteten, hvormed elektricitet leveres i hele Storbritannien, er blevet udviklet i en brugbar form for første gang.

Trådene vejer en tiendedel af kobber, og, hvis det bruges i konventionelle systemer, vil også gøre køretøjer mere brændstofeffektive. ledningerne, udviklet af forskere ved University of Cambridge kan også forbindes med konventionelle metaltråde, hvilket indtil nu ikke har været muligt, øge udsigten til hybride energinetværk.

Carbon nanorør (CNT'er) er ekstremt tynde, hule cylindre lavet af kulstofatomer. De er blandt de stiveste og stærkeste fibre, man kender, men vanskeligheden ved præcist at kontrollere deres egenskaber har betydet, at deres praktiske anvendelser har været begrænset indtil nu.

Ligesom grafen, CNT'er er stærke, let og fleksibel. Vinklen, eller chiralitet, ved hvilken pladerne af grafen rulles, bestemmer egenskaberne af nanorørene:om de er metalliske, semi-metallisk, eller halvledere.

Nu, forskere ved University of Cambridge har opnået et hidtil uset niveau af kontrol over egenskaberne af CNT'er i stor skala, resulterer i nanorør, som kan bruges i elektriske systemer.

Kobberledninger bruges i elektriske systemer på grund af dets dokumenterede historie og fremragende elektriske ledningsevne. Imidlertid, i moderne systemer, Ledningsmangler bliver mere tydelige, efterhånden som funktionelle krav stiger. For eksempel, en stor satellit, vejer 15 tons eller mere, får en tredjedel af sin vægt fra kobberledninger. Tilsvarende i kommercielle fly, en Boeing 747 bruger så meget som 135 miles kobbertråd, vejer mere end to tons. Kobbertråde oxiderer og korroderer også, er modtagelige for vibrationstræthed og skaber for tidlige elektronikfejl på grund af overophedningsforhold.

Ifølge ExxonMobils 2010-rapport The Outlook for Energy, der vil være en stigning på 80 procent i elefterspørgslen i 2040. Med øget efterspørgsel følger øget risiko for strømafbrydelser. For at imødekomme efterspørgslen, strømleverandører som National Grid kan enten bygge fem gange flere transmissionstårne, eller find et materiale, der kan transportere elektricitet mere effektivt end kobber.

"For at opnå disse elektriske egenskaber fra kulstof, en ekstrem høj grad af kontrol over nanorørene er nødvendig, " siger Dr Krzysztof Koziol fra Institut for Materialevidenskab og Metallurgi.

Den katalytiske kontinuerlige synteseproces af CNT'er blev oprindeligt udviklet af professor Alan Windle fra samme afdeling. Den bruger kemisk dampaflejring (CVD) til at spinde nanorørene ud i lange tråde, en tiendedel af bredden af ​​et menneskehår, fra hvad der ligner en højteknologisk candy floss-maskine.

Spinningsprocessen er blevet videreudviklet af professor Windle og Dr. Koziol til elektriske applikationer, ved at opnå meget selektiv syntese, og fremstiller meget rent materiale, der udelukkende består af enkelt-, dobbelt- eller flervæggede nanorør. For nylig blev processen skubbet til næste niveau, hvor højt kontrollerede metalliske enkeltvægge CNT'er blev produceret med et meget højt niveau af renhed. Mens de fleste CNT'er dyrkes i 'skove' på et substrat med brug af en katalysator, Cambridge-teamet dyrker dem ved at injicere precursormaterialerne (normalt methan) og katalysatoren i gasfasen i reaktoren.

Ved at kontrollere diameteren af ​​CNT'erne, Cambridge-teamet kan indirekte kontrollere chiraliteten. Katalysatorpartiklerne i nanostørrelse, i dette tilfælde jern, fungere som skabelon for dyrkning af nanorørene. Tilsætning af svovl eller selektive kulstofarter resulterer i en sky af nanorørfibre med tilstrækkelig mekanisk integritet til at blive trukket ud af reaktoren i kontinuerlige tråde med en hastighed på omkring 20 meter i minuttet.

Når først CNT-trådene er trukket ud af reaktoren, de er snoet sammen for at danne ultralette, superstærke ledninger en millimeter tykke, som kan isoleres og bruges som elektriske ledninger.

"Det er rimeligt enkelt for os at lave en meterlang ledning af kulstof og bruge den i et elektrisk system, " siger Dr. Koziol. "Vi taler ikke længere om millimeter lange, minutprøver."

En meter ledning er én ting, men at inkorporere det i et hus eller et fly er noget helt andet. En højeffektiv kultråd er ikke til nogen praktisk nytte, hvis den ikke kan forbindes med konventionelle systemer. Mens metalledninger kan forbindes til hinanden gennem lodning, kulstof kan ikke forbindes til metal på denne måde ved hjælp af almindelig tinbaseret lodning.

Dr. Koziols team har udviklet en legering, der kan lodde kultråde, enten til hinanden eller til metaltråde, gør det muligt at inkorporere kultråde i metalbaserede systemer. Loddet kan også bruges til grafen, som i øjeblikket er forbundet ved at klemme plader sammen.

Tråde lavet af kulstof er 10 gange lettere og op til 30 gange stærkere end kobber. Kultrådene er korrosionsbestandige og kan bære en meget højere strøm. Derudover tab i transmissionseffektivitet med stigende temperatur er væsentligt mindre end i traditionelle kobbertråde.

Selvom kobber er genanvendeligt, og der findes aflejringer i hele verden, det anslås, at den globale efterspørgsel efter kobber vil overstige den mængde, der kan udvindes fra jorden ved udgangen af ​​dette århundrede, i høj grad på grund af den stigende efterspørgsel efter elektricitet.

Den vigtigste tekniske hindring, som skal overvindes for at gøre kulstofledninger til en praktisk realitet, er at forbedre ledningsevnen. I øjeblikket, CNTs ledninger produceret af Dr. Koziols laboratorium er mindre ledende end kobber. Hvert enkelt nanorør er kun en millimeter langt, og ved hvert kryds i en lang ledning, der opstår tab i ledningsevne.

Dr. Koziol og hans samarbejdspartnere arbejder på at opnå mindst sammenlignelige niveauer af ledningsevne med kobber for at accelerere den kommercielle udvikling af kulstofledninger, ved både at forbedre dannelsesprocessen for at lave betydeligt længere nanorør, og ved at bruge kemiske metoder til at muliggøre bedre forbindelser mellem individuelle nanorør. Holdet arbejder også på nye metoder til kraftoverførsel, hvor krydsmodstand i CNT-ledninger ikke længere er kritisk.

I mellemtiden, der er forberedelser til en stor, multiindustrielt projekt, der starter i slutningen af ​​året, hvilket vil være et vigtigt mellemtrin:en hybrid kulstof-kobbertråd, hvor kulstoffet er spredt gennem kobberet, gør kobberet lettere og stærkere, samtidig med at transmissionstabene reduceres yderligere.