Μια κοινή ένωση άνθρακα επιτρέπει αξιοσημείωτες βελτιώσεις επιδόσεων, όταν αναμιγνύεται στη σωστή αναλογία με χαλκό για την κατασκευή ηλεκτρικών καλωδίων. Πρόκειται για ένα φαινόμενο που αψηφά τα όσα γνωρίζουμε μέχρι σήμερα σχετικά με το πώς τα μέταλλα διοχετεύουν τον ηλεκτρισμό.
Τα ευρήματα, που αναφέρονται στο περιοδικό Materials & Design, θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε πιο αποτελεσματική διανομή ηλεκτρικής ενέργειας σε σπίτια και επιχειρήσεις, καθώς και σε πιο αποδοτικούς κινητήρες για την τροφοδοσία ηλεκτρικών οχημάτων και βιομηχανικού εξοπλισμού. Η ομάδα έχει υποβάλει αίτηση για δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για το έργο της, το οποίο υποστηρίχθηκε από το Γραφείο Προηγμένων Υλικών και Τεχνολογιών Παραγωγής του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ (DOE).
Η επιστήμονας υλικών Keerti Kappagantula και οι συνάδελφοί της στο Εθνικό Εργαστήριο Βορειοδυτικού Ειρηνικού του DOE ανακάλυψαν ότι το γραφένιο -μεμονωμένα στρώματα του ίδιου γραφίτη που βρίσκεται στα μολύβια- μπορεί να ενισχύσει μια σημαντική ιδιότητα των μετάλλων που ονομάζεται θερμοκρασιακός συντελεστής αντίστασης.
Η ιδιότητα αυτή εξηγεί γιατί τα μεταλλικά σύρματα θερμαίνονται όταν τα διαρρέει ηλεκτρικό ρεύμα. Οι ερευνητές θέλουν να μειώσουν αυτή την αντίσταση, ενισχύοντας παράλληλα την ικανότητα ενός μετάλλου να άγει τον ηλεκτρισμό. Εδώ και αρκετά χρόνια αναρωτιούνται αν η αγωγιμότητα των μετάλλων μπορεί να αυξηθεί, ιδίως σε υψηλές θερμοκρασίες, με την προσθήκη άλλων υλικών σε αυτά. Και αν ναι, μπορούν αυτά τα σύνθετα υλικά να είναι βιώσιμα σε εμπορική κλίμακα;
Τι είναι το ShAPE
Τώρα, απέδειξαν ότι μπορούν να κάνουν ακριβώς αυτό, χρησιμοποιώντας μια προηγμένη πλατφόρμα κατασκευής που κατοχυρώθηκε από το PNNL και ονομάζεται ShAPE.
Όταν η ερευνητική ομάδα πρόσθεσε 18 μέρη ανά εκατομμύριο γραφενίου σε χαλκό ηλεκτρικής ποιότητας, ο θερμοκρασιακός συντελεστής αντίστασης μειώθηκε κατά 11% χωρίς να μειωθεί η ηλεκτρική αγωγιμότητα σε θερμοκρασία δωματίου. Αυτό έχει σημασία για την κατασκευή κινητήρων ηλεκτρικών οχημάτων, όπου μια αύξηση 11 τοις εκατό στην ηλεκτρική αγωγιμότητα της περιέλιξης του χάλκινου σύρματος μεταφράζεται σε κέρδος 1 τοις εκατό στην απόδοση του κινητήρα.
«Η ανακάλυψη αυτή έρχεται σε αντίθεση με ό,τι είναι γενικά γνωστό για τη συμπεριφορά των μετάλλων ως αγωγών. Συνήθως, η εισαγωγή προσθέτων υλικών σε ένα μέταλλο αυξάνει τον θερμοκρασιακό συντελεστή αντίστασής του, που σημαίνει ότι θερμαίνονται ταχύτερα στα ίδια επίπεδα ρεύματος σε σύγκριση με τα καθαρά μέταλλα. Περιγράφουμε μια νέα και συναρπαστική ιδιότητα αυτού του σύνθετου μετάλλου, όπου παρατηρούμε αυξημένη αγωγιμότητα σε ένα κατασκευασμένο χάλκινο σύρμα», δήλωσε η Kappagantula.
Η μικροδομή είναι το κλειδί για την ενίσχυση του γραφενίου
Προηγουμένως, η ερευνητική ομάδα πραγματοποίησε λεπτομερείς δομικές και υπολογιστικές μελέτες με βάση τη φυσική για να εξηγήσει το φαινόμενο της ενίσχυσης της ηλεκτρικής αγωγιμότητας των μετάλλων με τη χρήση γραφενίου.
«Δείξαμε ότι τόσο οι νιφάδες όσο και οι συστάδες πρέπει να είναι παρούσες για να γίνουν καλύτεροι αγωγοί για λειτουργίες σε υψηλές θερμοκρασίες», δήλωσε η Kappagantula.
Αποδοτικότεροι κινητήρες και καλωδιώσεις χαλκού για αστικά κτίρια
Κατά την εφαρμογή τους σε οποιαδήποτε βιομηχανική εφαρμογή, τα νέα σύνθετα σύρματα χαλκού-γραφένιου θα παρέχουν μεγάλη ευελιξία στο σχεδιασμό, σύμφωνα με την ερευνητική ομάδα.
«Οπουδήποτε υπάρχει ηλεκτρισμός, έχουμε μια περίπτωση χρήσης», δήλωσε η Kappagantula.
Για παράδειγμα, οι σπειροειδείς μορφές χάλκινων συρμάτων χρησιμοποιούνται στον πυρήνα ηλεκτρικών κινητήρων και γεννητριών. Οι κινητήρες σήμερα είναι σχεδιασμένοι να λειτουργούν σε ένα περιορισμένο εύρος θερμοκρασιών, διότι όταν θερμαίνονται πολύ, η ηλεκτρική αγωγιμότητα μειώνεται δραματικά. Με το νέο σύνθετο υλικό χαλκού-γραφένιου, οι κινητήρες θα μπορούσαν δυνητικά να λειτουργούν σε υψηλότερες θερμοκρασίες χωρίς να χάνουν την αγωγιμότητά τους.
Ομοίως, τα καλώδια που μεταφέρουν την ηλεκτρική ενέργεια από τις γραμμές μεταφοράς στα σπίτια και τις επιχειρήσεις είναι συνήθως κατασκευασμένα από χαλκό. Καθώς η πυκνότητα του πληθυσμού των πόλεων αυξάνεται, η ζήτηση για ηλεκτρική ενέργεια ακολουθεί. Ένα σύνθετο καλώδιο που είναι πιο αγώγιμο θα μπορούσε ενδεχομένως να συμβάλει στην κάλυψη αυτής της ζήτησης με εξοικονόμηση αποδοτικότητας.
«Αυτή η τεχνολογία είναι μια όμορφη λύση για τα χάλκινα καλώδια σε αστικά περιβάλλοντα υψηλής πυκνότητας», πρόσθεσε η Kappagantula.
Η ερευνητική ομάδα συνεχίζει τις εργασίες της για την προσαρμογή του υλικού χαλκού-γραφένιου και τη μέτρηση άλλων βασικών ιδιοτήτων, όπως η αντοχή, η κόπωση, η διάβρωση και η αντίσταση στη φθορά, οι οποίες είναι ζωτικής σημασίας για την καταλληλότητα τέτοιων υλικών για βιομηχανικές εφαρμογές. Για τα πειράματα αυτά, η ερευνητική ομάδα κατασκευάζει σύρματα με πάχος περίπου όσο το πάχος μιας αμερικανικής δεκάρας (1,5 χιλιοστόμετρα).
Πηγή: FOXreport.gr
