پژوهشگران موسسه علوم و فناوری کره (KIST) به رهبری دکتر دائه-یون کیم، موتوری الکتریکی توسعه دادهاند که کویلهای آن از نانولولههای کربنی (CNT) کاملاً عاری از فلز ساخته شدهاند. این دستاورد نشان میدهد که تبدیل انرژی الکتریکی به گشتاور چرخشی — عملکرد پایهای موتور — بدون هادیهای فلزی ممکن است و کنترل دور موتور (RPM) مطابق تغییر ولتاژ ورودی انجامپذیر است.
چرا «سبکسازی» اهمیت دارد
سبکسازی (lightweighting) در وسایل نقلیه برقی، پهپادها و فضاپیماها هدفی کلیدی است: کاهش وزن بهبود بازده انرژی، افزایش برد عملیاتی باتری و کاهش انتشار کربن را به همراه دارد. یکی از اجزای سنگین در موتورهای الکتریکی، سیمپیچها یا کویلها هستند که غالباً از مس ساخته میشوند. مس رسانای خوبی است اما چالشهایی مثل نوسان قیمت، ریسک تأمین منابع و چگالی بالای آن که به وزن اضافه منجر میشود، دارد.
نانولولههای کربنی (CNT) به عنوان جایگزین
نانولولههای کربنی، ساختارهای یکبعدی لولهای شکل از اتمهای کربن با آرایش شبکهای ششضلعی هستند. آنها وزن بسیار کمتری نسبت به فلزات رایج دارند و خواص برجستهای مانند هدایت الکتریکی بالا، مقاومت مکانیکی زیاد و هدایت حرارتی مناسب را ارائه میدهند. اما استفاده صنعتی از CNT تا به امروز با موانعی روبهرو بوده است؛ از جمله وجود ذرات فلزی باقیمانده از کاتالیزور تولید که به سطوح CNT میچسبند و هدایت الکتریکی را کاهش میدهند.
نوآوری در خالصسازی: رفتار مایع-بلورها
تیم KIST فرایند خالصسازی جدیدی معرفی کرده که از رفتار ترازشدن نانولولهها در فاز شبه بلوری (liquid crystal) بهره میبرد. با تراز شدن CNTها، تودهها بهصورت طبیعی تفکیک میشوند و ذرات فلزی چسبیده از سطح جدا میگردند. نکته کلیدی این است که این روش میتواند ناخالصیها را انتخابی حذف کند بدون آنکه ساختار نانومتری CNT آسیب ببیند — امتیازی که بسیاری از روشهای فازی مایع یا گاز ندارند. نتیجه نانولولههای پاکشدهای است با هدایت الکتریکی بهبود یافته، کافی برای کاربرد در کویلهای موتورهای الکتریکی واقعی.
ویژگیهای فنی محصول
- کویل ساختهشده از CNT عاری از فلز
- کنترل پایدار دور موتور (RPM) در پاسخ به تغییرات ولتاژ
- وزن کمتر کویل به دلیل چگالی پایین CNT
- فرایند خالصسازی مبتنی بر ترازشدن نانولولهها در فاز شبهبلوری
مقایسه با کویلهای مسی
مزایا: کاهش وزن، کاهش وابستگی به مس، پتانسیل کاهش هزینههای طولانیمدت و ریسک تأمین مواد. معایب و سوالات باز: تراکم توان (power density)، بازده انرژی، مدیریت حرارتی در شرایط واقعی، و هزینه تولید در مقیاس صنعتی باید در مقایسه مستقیم با طراحیهای مسی ارزیابی شوند.
کاربردها و اهمیت بازار
اگر این تکنولوژی قابلیت مقیاسپذیری داشته باشد، میتواند در صنایع خودروهای برقی، هوافضا، رباتیک و پهپادها تحول ایجاد کند. کاهش وزن موتور و سیستم کل میتواند برد باتری را افزایش دهد و بر پایداری زنجیره تأمین مواد اولیه، از جمله کاهش وابستگی به مس، تاثیر مثبت بگذارد. علاوه بر این، توسعه محلی مواد رسانا برای باتریها، فیلمهای نیمههادی و کابلهای رباتیکی که دکتر کیم به آن اشاره کرده، میتواند ارزش افزوده صنعتی قابلتوجهی ایجاد کند.
مزایا، محدودیتها و چشمانداز آینده
مزایا: افزایش نسبت توان به وزن، کاهش ریسکهای تأمین مس، و بهبود پایداری زیستمحیطی. محدودیتها: نیاز به آزمونهای گسترده در شرایط عملیاتی واقعی برای سنجش بازده، تراکم توان، مدیریت حرارتی و هزینه تولید انبوه. چشمانداز: با تکمیل بررسیهای فنی و اقتصادی، این فناوری میتواند به گزینهای جدی برای طراحی موتورهای سبک و مقرونبهصرفه تبدیل شود.
به قول دکتر دائه-یون کیم: «با توسعه فناوری کیفیت بالای CNT که تاکنون سابقه نداشته، توانستیم عملکرد الکتریکی کویلهای CNT را برای راهاندازی موتورهای الکتریکی بدون فلز به حد اعلی برسانیم.» این بیانیه مسیر تحقیقاتی جدیدی را برای بومیسازی مواد رسانا و کاربردهای صنعتی هموار میکند.