سبکسازی یکی از اهداف مشترک در خودروهای برقی، پهپادها و فضاپیماها است. ماشینهای سبکتر انرژی کمتری مصرف میکنند، به باتریها کمک میکنند کارآمدتر عمل کنند و مسافت بیشتری را طی کنند. سبکسازی همچنین با پایداری مرتبط است، زیرا عملکرد بهتر کلی میتواند انتشار کربن را کاهش دهد. موتورهای الکتریکی در مرکز این تلاش قرار دارند. سیمپیچهای این موتورها بخش بزرگی از وزن آنها را تشکیل میدهند و اکثر سیمپیچها از مس ساخته میشوند. مس رسانایی الکتریکی بالایی دارد، اما چالشهایی نیز به همراه دارد، مانند نگرانیهای مربوط به تأمین منابع، نوسانات قیمت، و وزن زیاد به دلیل چگالی بالای آن.
یک تیم به رهبری دکتر دای-یون کیم در مؤسسه تحقیقات مواد کامپوزیت در مؤسسه علوم و فناوری کره (KIST) موتوری الکتریکی ساختهاند که از سیمپیچی استفاده میکند که تنها از نانولولههای کربنی (CNTs) ساخته شده و هیچ فلزی در آن به کار نرفته است. در آزمایشها، تیم توانست سرعت چرخش موتور (RPM) را با تغییر ولتاژ ورودی کنترل کند. این نشان میدهد که یک موتور میتواند کار اصلی خود، یعنی تبدیل انرژی الکتریکی به نیروی چرخشی، را بدون استفاده از رساناهای فلزی انجام دهد.
نانولولههای کربنی موادی یکبعدی و لولهمانند هستند که اتمهای کربن در آنها به صورت ساختاری ششضلعی و شبیه به لانه زنبور قرار گرفتهاند. این مواد بسیار سبکتر از فلزات معمول هستند و به دلیل رسانایی الکتریکی بالا، مقاومت مکانیکی قوی و رسانایی حرارتی خوب شناخته شدهاند. با این حال، نانولولههای کربنی در استفاده عملی با موانعی روبهرو بودهاند. یکی از مسائل اصلی، باقیماندن فلزات کاتالیستی از فرآیند ساخت است. این ذرات فلزی به سطح نانولولههای کربنی میچسبند و عملکرد الکتریکی را کاهش میدهند، که به طور مستقیم بر قطعات موتور تأثیر میگذارد.
تیم KIST یک فرآیند خالصسازی جدید برای نانولولههای کربنی توسعه داده است که از رفتار همترازی کریستالهای مایع استفاده میکند. کریستالهای مایع حالتی “چهارم از ماده” هستند که بین حالت مایع و جامد قرار دارند. در حین همترازی نانولولههای کربنی، این فرآیند به طور طبیعی تودهها را تجزیه کرده و به حذف ذرات فلزی از سطح کمک میکند. نکته کلیدی این است که این فرآیند میتواند ناخالصیها را به صورت انتخابی حذف کند، بدون اینکه ساختار نانولولههای کربنی آسیب ببیند. این ویژگی آن را از بسیاری از روشهای خالصسازی مایع و گاز متمایز میکند. نتیجه این فرآیند، نانولولههای کربنی با رسانایی بسیار بهتر است، به اندازهای که میتوان از آنها در موتورهای الکتریکی واقعی استفاده کرد.
محققان سپس سیمپیچهایی از نانولولههای کربنی خالصشده تشکیل دادند و موتورهایی را آزمایش کردند که در آنها کنترل سرعت چرخش (RPM) با ولتاژهای مختلف پایدار بود. اگر این رویکرد در مقیاس بزرگ عملی شود، سیمپیچهای سبکتر میتوانند وزن موتور و جرم کلی سیستم را کاهش دهند. این فناوری همچنین میتواند وابستگی به مس را کاهش دهد و خطرات مربوط به قیمت و تأمین را محدود کند. تحقیقات آینده باید چگالی توان، بازده، مدیریت حرارت و هزینه این طراحیها را در مقایسه با طرحهای مبتنی بر مس تحت شرایط واقعی بررسی کند.
دکتر دای-یون کیم از KIST گفت:
“با توسعه یک فناوری جدید برای بهبود کیفیت نانولولههای کربنی که پیش از این وجود نداشت، ما توانستیم عملکرد الکتریکی سیمپیچهای نانولوله کربنی را به حداکثر برسانیم تا موتورهای الکتریکی بدون فلز را به حرکت درآوریم. بر اساس نوآوری در مواد نانولوله کربنی، ما قصد داریم در بومیسازی موادی مانند مواد رسانا برای باتریها، پوششهای محافظ برای نیمههادیها و کابلها برای رباتها پیشرو باشیم.”