Специалисты Корейского института науки и технологий (KIST) представили инновационную разработку — электрические провода нового поколения на основе углеродных нанотрубок (CNT), полностью избавленные от меди и алюминия. Эти провода представляют собой композитные кабели с сердцевиной и оболочкой (CSCEC), отличающиеся высокой проводимостью, гибкостью и особенно малым весом.
Как это работает
В основе технологии лежит метод под названием Lyotropic Liquid Crystal-Assisted Surface Texturing (LAST) — текстурирование поверхности с помощью лиотропных жидких кристаллов. Эти материалы текучи, как жидкости, но сохраняют кристаллический порядок, что позволяет выравнивать нанотрубки и предотвращать их агрегацию.
В сочетании с химическим промыванием метод удаляет примеси металлических катализаторов и сохраняет однородную наноструктуру, которая обеспечивает высокую электропроводность CNT. В результате проводимость увеличивается более чем на 130%, а вес значительно уменьшается.
Конструкция одного такого кабеля — это всего 0,3 мм толщины, включая изоляцию: около 256 мкм — проводящая сердцевина, 10 мкм — оболочка. Толщина сопоставима с визитной карточкой, но мощности достаточно, чтобы запитать электродвигатель игрушечной модели автомобиля.
Зачем это нужно
Современные электромобили всё ещё зависят от медных обмоток, которые составляют значительную часть веса электродвигателей. Например, в Tesla Model S передний и задний моторы весят около 68 кг, из которых 25% — это медные обмотки. Замена их на провода KIST позволила бы снизить массу на ~16 кг, что хоть и кажется незначительным, но приводит к цепной реакции: меньше инерции, выше отклик дросселя, меньше тепловая нагрузка — а значит, можно уменьшить и систему охлаждения. Всё это ведёт к увеличению запаса хода и срока службы батареи.
В теории, эта технология может иметь значительный эффект и в авиации. Например, в воздушном такси от компании Joby вес всей медной проводки может достигать 200–300 кг. Замена её на CSCEC-провода позволила бы выиграть до четверти тонны.
Проблемы и ограничения
Пока технология имеет ряд ограничений:
- Проводимость ниже, чем у меди: 7,7 МС/м против 59 МС/м у меди. При одинаковом напряжении CNT-провода пропускают меньше тока.
- Меньшая мощность: тестируемый электродвигатель на основе CNT достигал всего 3 420 об/мин, тогда как медный — 18 120 об/мин.
- Высокая стоимость: $375–500 за кг против $10–11 за кг меди.
- Необходимость переосмысления конструкции устройств: простая замена кабелей невозможна, потребуется полностью новое проектирование изоляции и геометрии обмоток.
- Экологическая нагрузка: производство CNT требует много энергии и использует токсичные реагенты, такие как хлорсульфоновая кислота, в то время как промышленные отходы остаются проблемой.
Тем не менее, учёные уверены, что дальнейшие усовершенствования — например, оптимизация полимерных оболочек и ориентации нанотрубок — позволят сократить разрыв в проводимости с медью и сделать технологию более применимой на практике.
