يعد الوزن الخفيف هدفًا مشتركًا للسيارات الكهربائية والطائرات بدون طيار والمركبات الفضائية. تستهلك الآلات الأخف طاقة أقل، مما يساعد بطارياتها على العمل بكفاءة أكبر ويسمح لها بالطيران لمسافات أطول. يسير الوزن الخفيف أيضًا جنبًا إلى جنب مع الاستدامة، حيث يؤدي الأداء العام الأفضل إلى انخفاض انبعاثات الكربون. المحركات الكهربائية هي في قلب هذا الجهد. تشكل ملفات المحرك جزءًا كبيرًا من وزن المحرك، وتستخدم معظم الملفات النحاس. يقوم النحاس بتوصيل الكهرباء بشكل جيد، ولكنه يطرح أيضًا بعض التحديات، مثل مشكلات إمدادات الموارد، وتقلبات الأسعار، وزيادة الوزن بسبب الكثافة العالية.
قام فريق بقيادة الدكتور داي يون كيم في معهد المواد المركبة في المعهد الكوري للعلوم والتكنولوجيا (KIST) بتطوير محرك كهربائي بملفات مصنوعة فقط من أنابيب الكربون النانوية (CNTs)، دون أي معدن. وفي الاختبارات، تمكن الفريق من التحكم في عدد دورات المحرك في الدقيقة (RPM) بناءً على التغيرات في جهد الدخل. يوضح هذا أن المحركات الكهربائية يمكنها أداء وظيفتها الأساسية المتمثلة في تحويل الطاقة الكهربائية إلى قوة دورانية دون استخدام الموصلات المعدنية.
أنابيب الكربون النانوية (CNTs) عبارة عن مواد نانوية أنبوبية أحادية البعد تحتوي على ذرات كربون مرتبة في هيكل سداسي الشكل على شكل قرص عسل. فهي أخف بكثير من المعادن العادية ولها موصلية كهربائية عالية وقوة ميكانيكية قوية وموصلية حرارية جيدة. ومع ذلك، لا تزال الأنابيب النانوية الكربونية تواجه العديد من التحديات في التطبيقات العملية. إحدى المشاكل الرئيسية هي بقايا المعدن المحفز من عملية التصنيع. يمكن لهذه الجزيئات المعدنية أن تؤثر بشكل مباشر على مكونات المحرك من خلال التصاقها بسطح CNT وتقليل الأداء الكهربائي.
طور فريق KIST عملية تنقية جديدة للأنابيب النانوية الكربونية (CNT) تستغل السلوك التوجيهي للبلورات السائلة، "الحالة الرابعة للمادة" بين الحالة السائلة والصلبة. ومع توجيه أنابيب الكربون النانوية، تعمل العملية بشكل طبيعي على تفكيك الكتل وتساعد على إزالة الجزيئات المعدنية من السطح. والمفتاح هو أنه يمكنه إزالة الشوائب بشكل انتقائي دون الإضرار بالبنية النانوية لأنابيب الكربون النانوية. وهذا ما يجعلها مختلفة عن العديد من طرق التنقية بالمرحلة السائلة والغازية. تعتبر أنابيب الكربون النانوية الناتجة أكثر موصلية بدرجة كافية للعمل في المحركات الكهربائية الفعلية.
بعد ذلك، صنع الباحثون ملفات من أنابيب الكربون النانوية المنقاة، وقاموا بتشغيل محركات أظهرت تحكمًا ثابتًا في السرعة عند جهد كهربائي مختلف. إذا أمكن توسيع نطاق هذا النهج، فإن الملفات الأخف وزنًا يمكن أن تقلل من وزن المحرك وكتلة النظام بشكل عام. ويمكن أن يؤدي أيضًا إلى تقليل الاعتماد على النحاس وانخفاض مخاطر الأسعار والإمدادات. هناك حاجة إلى أبحاث مستقبلية لمقارنة أداء التصميمات القائمة على النحاس من حيث كثافة الطاقة والكفاءة والمعالجة الحرارية والتكلفة في ظل ظروف التشغيل الفعلية.
وقال الدكتور كيم داي يون من المعهد الكوري للعلوم والتكنولوجيا: "من خلال تطوير مفهوم جديد غير مسبوق لتكنولوجيا CNT عالية الجودة، يمكننا تعظيم الأداء الكهربائي لملفات CNT لتشغيل المحركات الخالية من المعادن. واستنادًا إلى ابتكار مواد CNT، سنكون أول من يقوم بتوطين مواد مثل المواد الموصلة للبطاريات، وأغشية أشباه الموصلات، وكابلات الروبوتات."
المصدر: كيست