Kulstof nanobolde kan i høj grad bidrage til bæredygtig energiforsyning

Forskere ved Chalmers Teknologiske Universitet har opdaget, at den isoleringsplast, der bruges i højspændingskabler, kan modstå en 26 procent højere spænding, hvis der tilføjes nanometerstore kulstofkugler. Dette kan resultere i enorme effektivitetsgevinster i fremtidens elnet, som er nødvendige for at opnå et bæredygtigt energisystem.

Fremtidens vedvarende energikilder vil ofte findes langt væk fra slutbrugeren. Vindturbine, for eksempel, er mest effektive, når de placeres ude på havet. Solenergi vil have størst indflydelse på det europæiske energisystem, hvis fokus er på transport af solenergi fra Nordafrika og Sydeuropa til Nordeuropa.

"Reduktion af energitab under elektrisk krafttransmission er en af ​​de vigtigste faktorer for fremtidens energisystemer, " siger Chalmers-forsker Christian Müller. "De to andre er udvikling af vedvarende energikilder og teknologier til energilagring."

Sammen med kolleger fra Chalmers Tekniske Universitet og virksomheden Borealis i Sverige, han har fundet en kraftfuld metode til at reducere energitab i vekselstrømskabler. Resultaterne blev for nylig offentliggjort i Avancerede materialer .

Forskerne har vist, at forskellige varianter af C60 carbonkuglen, et nanomateriale i fulleren-molekylgruppen, yde stærk beskyttelse mod nedbrydning af isoleringsplasten, der anvendes i højspændingskabler. I dag skal spændingen i kablerne begrænses for at forhindre, at isoleringslaget bliver beskadiget. Jo højere spænding jo flere elektroner kan lække ud i isoleringsmaterialet, en proces, der fører til sammenbrud.

Det er tilstrækkeligt at tilsætte meget små mængder fulleren til isoleringsplasten, for at den kan modstå en spænding, der er 26 procent højere, uden at materialet går i stykker, end den spænding, som plastik uden tilsætningsstoffet kan tåle.

"At kunne øge spændingen i denne grad ville resultere i enorme effektivitetsgevinster i kraftoverførsel over hele verden, " siger Christian Müller. "Et stort problem i branchen er, hvordan transmissionseffektiviteten kan forbedres uden at gøre strømkablerne tykkere, da de allerede er meget tunge og svære at håndtere."

Brug af additiver til at beskytte isoleringsplasten har været et kendt koncept siden 1970'erne, men indtil nu har det været uvist præcist hvad og hvor meget der skal tilføjes. Følgelig, tilsætningsstoffer bruges i øjeblikket slet ikke til formålet, og isoleringsmaterialet er fremstillet med den højest mulige grad af kemisk renhed.

I de seneste år, andre forskere har eksperimenteret med fullerener i de elektrisk ledende dele af højspændingskabler. Indtil nu, selvom, det har været uvist, at stoffet kan være gavnligt for isoleringsmaterialet.

Chalmers-forskerne har nu påvist, at fullerener er de bedste spændingsstabilisatorer, der hidtil er identificeret til isoleringsplast. Det betyder, at de har en hidtil uovertruffen evne til at fange elektroner og dermed beskytte andre molekyler mod at blive ødelagt af elektronerne.

For at nå frem til disse resultater, forskerne testede en række molekyler, som også bruges inden for organisk solcelleforskning på Chalmers. Molekylerne blev testet ved hjælp af flere forskellige metoder, og blev tilføjet til stykker af isoleringsplastik, der blev brugt til højspændingskabler. Plaststykkerne blev derefter udsat for et stigende elektrisk felt, indtil de krakelerede. Fullerener viste sig at være den type additiv, der mest effektivt beskytter isoleringsplasten.

Næste trin går ud på at teste metoden i stor skala i komplette højspændingskabler til vekselstrøm. Forskerne vil også teste metoden i højspændingskabler til jævnstrøm, da jævnstrøm er mere effektivt end vekselstrøm til kraftoverførsel over meget lange afstande.