5 دقیقه
پیشرفتی مهم: موتورهای الکتریکی بدون هادی‌های فلزی
تیمی تحقیقاتی به سرپرستی دکتر دِی-یون کیم در مؤسسه علوم و فناوری کره (KIST) نمونه‌ای از موتور الکتریکی را معرفی کرده‌اند که سیمپیچ آن کاملاً از نانولولههای کربنی (CNT) ساخته شده و هیچ هادی فلزی در آن به‌کار نرفته است. در نمونه اولیه، سرعت دورانی (RPM) با تغییر ولتاژ ورودی به‌طور قابل اعتمادی کنترل شد که نشان می‌دهد تبدیل انرژی الکتریکی به حرکت چرخشی با استفاده از هادی بدون فلز امکان‌پذیر است. این پیشرفت میتواند نگاه به موتورهای الکتریکی سبک‌وزن در خودروهای برقی، پهپادها، فضاپیماها و رباتیک را دگرگون کند.
چه چیزی سیمپیچهای CNT را متمایز میکند؟
نانولولههای کربنی ساختاری یک‌بعدی و استوانه‌ای دارند که از اتم‌های کربن در آرایش لانه‌زنبوری تشکیل شده‌اند. CNTها به‌مراتب سبک‌تر از مس و بسیاری فلزات سنتی هستند و در عین حال رسانایی الکتریکی بالا، مقاومت کششی قابل توجه و هدایت حرارتی مناسب ارائه می‌دهند. این ویژگی‌ها سیمپیچهای ساخته‌شده از CNT را برای مهندسانی که به‌دنبال طراحی موتورهای الکتریکی کموزن و بهبود برد باتری‌ها هستند، گزینهای جذاب می‌سازد.
ویژگی‌های کلیدی محصول موتور با سیمپیچ CNT
- هادی بدون فلز: سیمپیچ به‌طور کامل از CNTهای تصفیه‌شده تشکیل شده و وابستگی به سیم‌های مسی یا آلومینیومی را برطرف میکند.
- ساختار سبک‌وزن: کاهش جرم سیمپیچ باعث کاهش وزن کلی موتور و سیستم می‌شود.
- کنترل RPM پایدار: موتورهای نمونه اولیه پاسخ دورانی قابل پیش‌بینی در بازه‌های مختلف ولتاژ ورودی نشان دادند.
- بهبود رسانایی پس از تصفیه: یک روش پردازشی نوین تا حد زیادی ناخالصی‌های فلزی سطح CNTها را کاهش می‌دهد.
تصفیه نوآورانه: همراستایی در کریستال مایع
یکی از موانع اصلی برای استفاده از CNTها در قطعات الکتریکی واقعی، باقی‌ماندن فلزات کاتالیزور از فرایند ساخت بود. این نانوذرات فلزی به سطح CNTها می‌چسبند و مسیرهای الکتریکی را مختل می‌کنند. گروه KIST روش تصفیه‌ای تازه‌ای ابداع کردند که از رفتار همراستایی در محیط کریستال مایع بهره می‌برد؛ حالت میانی ماده بین مایع و جامد. هنگام همراستایی CNTها در این محیط کریستال مایع، چسبندگی و خوشهها از هم می‌گسند و باقیماندههای فلزی بهصورت انتخابی جدا میشوند بدون آنکه معماری نانولولهها آسیب ببیند. نتیجه ماده CNT با کیفیت بالا و رسانایی کافی برای سیمپیچهای موتوری است.
مقایسه‌ها و ملاحظات در برابر سیمپیچهای مسی
در مقایسه با سیمپیچهای مسی معمول، CNTها مزایای بالقوه مهمی ارائه می‌کنند: کاهش جرم، کاهش وابستگی به زنجیره تأمین مس و مقاوم بودن در برابر نوسانات قیمت مس. با این حال، مقایسه‌های فنی مهمی همچنان وجود دارد: مس در مقیاس تولید بالغ‌تر است، مدیریت گرمایی اثبات‌شده‌ای دارد و در بسیاری از کاربردها هزینه هر هادی هنوز برایش ارجحیت دارد. تیم KIST بر نیاز به بنچمارک دقیق چگالی توان، کارایی انرژی، دفع حرارت و هزینه چرخه عمر در مقابل موتورهای مبتنی بر مس در شرایط عملیاتی واقعی تأکید میکند.
مزایا
- کاهش وزن که میتواند برد خودروها و زمان پروازی پهپادها را افزایش دهد و جرم پرتاب را برای فضاپیماها کاهش دهد.
- افزایش تاب‌آوری زنجیره تأمین با کاهش تقاضا برای مس و کاهش آسیب‌پذیری نسبت به نوسانات قیمت کالاها.
- امکان کاربرد فرابخشی در باتری‌ها، فِلِکس‌های نیمه‌هادی و کابل‌بندی رباتیک به‌خاطر فناوری تصفیه CNT.
محدودیت‌ها و کارهای آینده
گسترش فرایند به مقیاس صنعتی، تضمین عملکرد حرارتی یکنواخت، ادغام سیمپیچهای CNT در موتورها با تولید انبوه و تأیید قابلیت اطمینان بلندمدت از جمله گام‌های ضروری بعدی است. آزمایش‌های گسترده در زمینه چگالی توان و بهره‌وری مشخص خواهد کرد که آیا سیمپیچهای CNT میتوانند در موتورهای کششی خودروهای برقی و کاربردهای صنعتی پرتوان با مس رقابت کنند یا از آن پیشی گیرند.
موارد کاربرد و اهمیت بازار
موارد کاربرد کوتاهمدت شامل موتورهای سبک برای پهپادها، رباتها و سامانه‌های هوافضایی ویژه است که در آنها هر گرم وزن اهمیت دارد. در میانتا بلندمدت، اگر فناوری از لحاظ اقتصادی مقیاسپذیر شود، سیمپیچهای مبتنی بر CNT میتوانند در موتورهای خودروهای برقی، درایوهای صنعتی و الکترونیک مصرفی با عملکرد بالا ظاهر شوند و به سازندگان جایگزینی برای مس ارائه دهند که به پایداری و پیش‌بینی‌پذیری هزینه کمک میکند.
دکتر دِی-یون کیم از KIST گفت: با توسعه مفهومی نو از فناوری CNT با کیفیت بالا که پیش از این وجود نداشته، توانستیم عملکرد الکتریکی سیمپیچهای CNT را برای به‌کار انداختن موتورهای الکتریکی بدون فلز به حداکثر برسانیم. تیم قصد دارد بومی‌سازی مواد CNT برای قطعات هادی باتری، پلِیکِل‌های نیمه‌هادی و کابل‌بندی رباتیک را به‌عنوان بخشی از تلاش‌های تجاری‌سازی گسترده‌تر پیش ببرد.
برای رهبران فناوری و توسعه‌دهندگان محصول، این تحقیق مسیری نوظهور در مواد نشان می‌دهد: هادی‌های بدون فلز که میتوانند سامانه‌های الکتریکی سبک‌تر، کاراتر و پایدارتر را ممکن سازند—مشروط بر اینکه چالش‌های مقیاس، مدیریت حرارت و صرفه‌جویی اقتصادی با موفقیت حل شوند.
منبع: kist.re
.avif)
نظرات