به گزارش خبرنگار علم و فناوری ایسکانیوز؛ محققان کره‌ای امیدوارند که این پژوهش مسیر تازه‌ای را برای تولید سیم‌کشی‌های سبک‌تر در خودروها و هواپیماها باز کند و همچنین راهی برای کاهش انتشار کربن در تولید تجهیزات الکتریکی نشان دهد. چون در این صروت به جای فلزات سنگین از ساختارهای دقیق کربنی استفاده می‌شود.
گفتنی است که نانولوله‌های کربنی ساختارهایی استوانه‌ای از گرافن که تنها چند نانومتر قطر دارند.
مسیری سبک‌تر برای تولید توان چرخشی
این پروژه به سرپرستی «کی-هیون ریو»، پژوهشگر ارشد مؤسسه علوم و فناوری کره (KIST)، انجام شده است. گروه تحقیقاتی او کابل‌هایی طراحی کرده است که از ترکیب سیم‌های نانولوله‌ای منظم با یک روکش عایق نازک تشکیل می‌شوند.
پژوهشگران برای منظم کردن نانولوله‌ها، از فرآیندی به نام کریستال مایع لیوتروپیک استفاده کردند. در این حالت، مولکول‌های میله‌ای شکل درون مایع در یک راستا قرار می‌گیرند. این نظم موجب می‌شود که تعداد زیادی از رساناهای بسیار ریز مانند یک سیم پیوسته عمل کنند.
ریو گفت: ما موفق شدیم یک مدل کوچک از خودرو را تنها با استفاده از موتوری بدون فلز و ساخته‌شده از کابل‌های نانولوله‌ای با کارایی بالا به حرکت درآوریم.
موتور نمایشی با ولتاژ سه ولت کار کرد و چرخش پایداری داشت. این موتور توانست یک خودروی اسباب‌بازی را در مسیر کوتاهی به حرکت درآورد و نشان دهد که مفهوم موتور بدون فلز در عمل نیز کارایی دارد.
ساختار کابل‌های جدید چگونه است؟
هر کابل دارای ساختار هسته-پوشش (Core-Sheath) است: یک هسته رسانا که با لایه‌ای عایق پوشیده شده است. در نمونه اولیه، طول هر رشته رسانا حدود ۳۰ سانتی‌متر بود.
برای بهبود رسانایی، سطح کابل‌ها ابتدا با اسید کلروسولفونیک شسته می‌شود؛ این اسید قوی دسته‌های نانولوله‌ای را جدا می‌کند و فلزات باقیمانده را که می‌توانند مانع جریان الکترون شوند، حذف می‌کند.
سپس مرحله‌ای به نام LAST (فرآیند سطحی بافت‌دار و کنترل‌شده) انجام می‌شود که نظم و جهت‌گیری نانولوله‌ها را افزایش می‌دهد.
این تمیزی و نظم بیشتر باعث می‌شود نقاطی که در آن‌ها الکترون‌ها پراکنده می‌شوند کاهش یابد و در نتیجه رسانایی الکتریکی مؤثر کابل افزایش پیدا کند.
در آزمایش‌ها، رسانایی کابل‌ها به ۷/۷ میلیون زیمنس بر متر رسید.
نتایج آزمایش‌ها
در ولتاژ سه ولت، موتور کربنی توانست به سه هزار و ۴۲۰ دور در دقیقه (RPM) برسد. در مقایسه، سیم‌پیچ مسی مشابه در همان ولتاژ به ۱۸ هزار و ۱۲۰ دور در دقیقه دست یافت، اما موضوع اینجاست که وزن موتور مسی بسیار زیاد است. دلیل سرعت بالاتر موتور مسی رسانایی معمولی آناست. با این حال، موضوع وزن داستان دیگری دارد.
چگالی سیم نانولوله‌ای تقریباً یک پنجم چگالی مس است؛ به این معنا که می‌توان به کاهش چشمگیر وزن در سیم‌پیچ‌ها و مجموعه‌های کابل‌کشی دست یافت. اگر عملکرد را بر حسب سرعت نسبت به جرم بسنجیم، شکاف عملکرد میان مس و نانولوله‌ها بسیار کمتر می‌شود.
نمونه اولیه کابل‌ها در آزمایش‌ها تا یک ساعت در توان سه و نیم وات پایدار باقی ماندند. این پایداری برای انتقال فناوری از سطح آزمایشگاهی به کاربردهای واقعی اهمیت زیادی دارد.
محدودیت‌ها و چالش‌ها
در مسیر تبدیل نانولوله‌های تکی به الیاف بزرگ‌تر، پدیده‌ای به نام مقاومت در محل اتصال رخ می‌دهد؛ یعنی در نقاط تماس بین رشته‌های نانولوله‌ای مقاومت اضافی ایجاد می‌شود که رسانایی کلی را کاهش می‌دهد.
هر نانولوله منفرد می‌تواند چگالی جریان بسیار بالایی را تحمل کند. اما کنار هم قرار دادن هزاران لوله بدون از دست دادن این ویژگی، هنوز چالشی اساسی است. از سوی دیگر، تولید الیاف بلند، یکنواخت و کم‌ناخالصی از نظر صنعتی پرهزینه و انرژی‌بر است. با وجود این موانع، پیشرفت‌های اخیر در زمینه نظم ساختاری و خلوص مواد عملکرد را به طور پیوسته بهبود داده است.
به هر حال، نتایج جدید به‌خوبی نشان می‌دهند که می‌توان خروجی الکتریکی را بدون نیاز به افزودن فلزات سنگین افزایش داد.
کاربردها برای خودروهای برقی
در خودروهای مدرن، به‌ویژه مدل‌های برقی، سیم‌کشی داخلی یکی از منابع پنهان اتلاف انرژی است، زیرا این مجموعه‌ها وزن زیادی دارند. جایگزینی فلز با رساناهای سبک‌تر می‌تواند برد حرکتی خودرو را افزایش دهد و فضای بیشتری در اختیار طراحان قرار دهد.
در حال حاضر استفاده از فلزات بازیافتی در سیم‌کشی‌ها تا ۷۲ درصد از انتشار دی‌اکسیدکربن را کاهش می‌دهد، بی‌آنکه عملکرد افت کند.
کابل‌های نانولوله‌ای می‌توانند این عدد را باز هم کاهش دهند، چون وزن خودرو را از اساس پایین می‌آورند. وزن کمتر یعنی انرژی کمتر برای حرکت، به‌ویژه در شرایط ترافیکی.
با این حال، استانداردهای ایمنی و طراحی اتصالات باید با ورود این رساناهای جدید به تولید انبوه بازنگری شوند، زیرا هندسه و رفتار گرمایی سیم‌پیچ‌ها با جایگزینی فلز با کربن تغییر خواهد کرد.
پایداری و محیط‌زیست
پرسشی که مطرح می‌شود این است که این مواد در پایان عمر خود چه سرنوشتی خواهند داشت؟ تحقیقات تازه نشان داده‌اند که ورق‌های نانولوله‌ای قابل بازیافت و ریسندگی مجدد هستند، بدون اینکه ویژگی‌های اصلی‌شان را از دست بدهند.
این چرخه بازیافت، هم رسانایی و نظم ساختاری را حفظ می‌کند و هم چشم‌انداز یک مسیر پایدار برای رساناهای کربنی را ارائه می‌دهد.
با این حال، فرایند شیمیایی ساخت نیز نیازمند دقت بالاست، زیرا حلال‌هایی که برای جدا کردن نانولوله‌ها به کار می‌روند باید به‌درستی بازیابی و خنثی شوند. برای تولید انبوه، وجود نظام‌های بسته و مقررات شفاف زیست‌محیطی ضروری است و جامعه علمی در حال بررسی و آزمایش این کنترل‌هاست.
اهمیت علمی پژوهش
قلب این موتور، جریان منظم الکترون‌ها درون شبکه‌ای سازمان‌یافته است. هرچه نظم بیشتر باشد، پراکندگی یا انحراف تصادفی الکترون‌ها کمتر می‌شود و انرژی الکتریکی کارآمدتر مصرف می‌شود.
هم‌راستایی نانولوله‌ها سبب می‌شود جریان به صورت مستقیم‌تر در امتداد محور سیم حرکت کند، در نتیجه افت ولتاژ و تولید گرما برای توان یکسان کاهش می‌یابد.
این پژوهش همچنین نشان می‌دهد که کنترل دقیق سطح و حذف ذرات کاتالیزور تا چه حد می‌تواند از ایجاد نقص‌های الکتریکی جلوگیری کند. مجموع این بهبودها موجب می‌شود کابلی که از نظر عددی رسانایی پایین‌تری از مس دارد، در عمل کارایی برتری بر حسب وزن و توان ارائه دهد.
گام‌های بعدی
افزون بر موتور، رساناهای نانولوله‌ای هم‌اکنون در باتری‌ها نیز کاربرد دارند؛ به عنوان افزودنی‌های رسانا که ذرات فعال را به هم متصل می‌کنند و جریان شارژ را در الکترودها بهبود می‌بخشند.
در آینده، توسعه سیم‌پیچ‌های ضخیم‌تر، مسیرهای حرارتی بهتر و روکش‌های عایق بهینه‌تر می‌تواند به تبدیل این فناوری از مقیاس آزمایشگاهی به قطعات صنعتی بادوام کمک کند.
خودروسازان به دنبال پاسخ به پرسش‌هایی درباره ایمنی در تصادف، تعمیرپذیری و عیب‌یابی این سامانه‌ها خواهند بود. مهندسان با طراحی هوشمند و آزمایش دقیق می‌توانند این چالش‌ها را برطرف کنند.
اگر مهندسان بتوانند رسانایی را بیشتر و هزینه را پایین نگه دارند، سیم‌پیچ‌های بدون مس می‌توانند جای خود را در صنعت خودرو پیدا کنند.
اولین موتور عملی ساخته‌شده با این فناوری، نخستین نشانه واقعی از امکان تحقق این آینده است.
انتهای پیام/