موتور الکتریکی بدون سیم‌پیچ‌های فلزی ساخته شد
- مجموعه: اختراعات جدید
به گزارش برنا به نقل از نیواطلس، دانشمندان مؤسسه علوم و فناوری کره (KIST) موفق به توسعه نوعی سیم‌رسانی فوق‌سبک و رسانای جدید از جنس نانولوله‌های کربنی (CNT) شده‌اند که نیاز به استفاده از فلزاتی مانند مس و آلومینیوم را به‌کلی حذف می‌کند. این پیشرفت می‌تواند انقلابی در طراحی موتور‌های الکتریکی سبک و کم‌مصرف ایجاد کند.
پژوهشگران KIST با استفاده از فرآیندی به نام بافت‌دهی سطحی با کمک کریستال‌های مایع لیوتروپیک یا LAST، موفق به ساخت کابل‌های کامپوزیتی هسته-غلافی (CSCEC) شده‌اند که ضمن رسانایی بالا، انعطاف‌پذیر، فوق‌سبک و مناسب برای استفاده در موتور‌های الکتریکی هستند.
ضخامت هر سیم CSCEC تنها حدود ۰.۳ میلی‌متر است؛ معادل ضخامت یک کارت ویزیت. این کابل‌ها دارای هسته‌ای به قطر حدود ۲۵۶ میکرومتر و غلافی به ضخامت تنها ۱۰ میکرومتر هستند. با وجود ضخامت کم، این سیم‌ها توان کافی برای به حرکت درآوردن یک موتور الکتریکی کوچک را دارند؛ موتوری که توانسته یک خودروی مدل را به حرکت درآورد.
حذف کامل فلزات از سیم‌پیچ موتور
ده-یون کیم از KIST می‌گوید: «با توسعه یک فناوری جدید در حوزه نانولوله‌های کربنی که پیش از این سابقه نداشته، موفق شدیم عملکرد الکتریکی سیم‌پیچ‌های CNT را به حداکثر رسانده و موتور الکتریکی را بدون نیاز به فلزات به حرکت درآوریم.»
رمز موفقیت این تیم در بهره‌گیری از کریستال‌های مایع لیوتروپیک بود؛ حالتی از ماده که مانند مایع جریان دارد، اما نظم ساختاری یک کریستال را نیز حفظ می‌کند. این ویژگی منحصر‌به‌فرد باعث می‌شود نانولوله‌های کربنی که معمولاً به‌صورت کلاف‌شده در می‌آیند، به‌خوبی تفکیک و هم‌راستا شوند. به‌علاوه، فرآیند شست‌وشوی شیمیایی در این روش ناخالصی‌های فلزی ناشی از تولید CNT را نیز حذف می‌کند، بدون آن‌که ساختار نانویی آنها از بین برود.
نتایج نشان می‌دهد که فرآیند LAST باعث افزایش بیش از ۱۳۰ درصدی رسانایی الکتریکی می‌شود، در حالی که وزن کابل‌ها را به‌شدت کاهش می‌دهد و پایداری عملکرد آنها را در طول زمان تضمین می‌کند. این ویژگی‌ها باعث می‌شود که کابل‌های CSCEC برای استفاده در سیستم‌های حمل‌ونقل الکتریکی، به‌ویژه در خودرو‌ها و هواگرد‌های سبک، بسیار ارزشمند باشند.
در موتور‌های الکتریکی مرسوم، بخش قابل‌توجهی از وزن به سیم‌پیچ‌های مسی مربوط است. برای مثال، در خودروی تسلا مدل S که دارای دو موتور الکتریکی است، موتور جلویی حدود ۳۲ کیلوگرم و موتور پشتی حدود ۳۶ کیوگرم وزن دارند. تقریباً ۲۵ درصد از این وزن، مربوط به سیم‌پیچ‌های مسی است. استفاده از سیم‌های فوق‌سبک CSCEC می‌تواند مجموع وزن این دو موتور را از ۶۸ کیلوگرم به حدود ۵۲ کیلوگرم کاهش دهد.
کاهش وزن تنها یک مزیت نیست؛ با کاهش جرم دوّار، موتور می‌تواند سریع‌تر بچرخد، پاسخ به پدال گاز بهبود یابد، گشتاور با کارایی بالاتری منتقل شود و اتلاف مکانیکی کاهش پیدا کند. همچنین بار حرارتی سیستم کمتر شده و در نتیجه می‌توان سیستم خنک‌کننده را نیز کوچک‌تر و سبک‌تر طراحی کرد. تمام این عوامل به افزایش عمر باتری و برد بیشتر خودرو منجر می‌شوند.
چشم‌انداز آینده: از خودرو تا تاکسی پرنده
گرچه نتایج KIST فعلاً تنها در مقیاس کوچک و ولتاژ پایین آزمایش شده‌اند (حدود ۲ تا ۳ ولت در توان ۳.۵ وات) اما در صورت توسعه این فناوری به مقیاس‌های بالاتر، کاربرد‌های گسترده‌ای در حوزه حمل‌ونقل هوایی نیز متصور است.
برای نمونه، یک هواگرد برقی عمودپرواز (eVTOL) مانند Joby که دارای ۶ موتور است، به‌طور تخمینی ۹۰ تا ۱۳۵ کیلوگرم سیم‌پیچ مسی و حدود ۹۰ تا ۱۳۶ کیلوگرم سیم‌کشی در کل دارد. در مجموع، در صورت جایگزینی کامل این سیم‌پیچ‌ها با کابل‌های CSCEC، می‌توان تا ۲۲۷ کیلوگرم از وزن این پرنده را کاهش داد. چنین کاهش وزنی برای مهندسان این صنعت، آرزویی بزرگ است.
رسانایی پایین‌تر و هزینه بالا
با وجود تمام مزایا CNTها هنوز به سطح رسانایی الکتریکی مس نمی‌رسند. رسانایی کابل‌های CNT حدود ۷.۷ مگاسیمنس بر متر است، در حالی که رسانایی مس حدود ۵۹ مگاسیمنس بر متر است. بنابراین، در یک ابعاد ثابت، جریان الکتریکی کمتری از سیم CNT عبور می‌کند.
در مطالعه انجام‌شده، موتور ساخته‌شده با CNT حداکثر به سرعت چرخشی ۳۴۲۰ دور در دقیقه رسید، در حالی که موتور مشابه با سیم‌پیچ مسی به سرعت ۱۸۱۲۰ دور در دقیقه دست یافت. با این حال، وزن هسته رسانای CNT تنها یک‌پنجم مس بود و سرعت چرخش برحسب وزن فقط حدود ۶ درصد کمتر از مس بود؛ عددی قابل‌قبول برای کاربرد‌های خاص مانند هوافضا.
از طرفی هزینه تولید این کابل‌ها بسیار بالاست؛ هر کیلوگرم کابل CSCEC بین ۳۷۵ تا ۵۰۰ دلار هزینه دارد، در حالی که هزینه هر کیلوگرم مس تنها حدود ۱۰ تا ۱۱ دلار است. همچنین، طراحی محصولاتی که از این فناوری استفاده کنند، نیاز به بازطراحی کامل مهندسی دارند.
چالش زیست‌محیطی تولید
یکی دیگر از چالش‌های بزرگ این فناوری، آثار زیست‌محیطی است. بسیاری از نانولوله‌های کربنی هنوز از سوخت‌های فسیلی تولید می‌شوند و فرآیند تولید آنها بسیار پرمصرف و آلاینده است. به‌عنوان نمونه، در فرآیند LAST از اسید کلروسولفونیک استفاده می‌شود که در مرحله شست‌وشو منجر به تولید اسید هیدروکلریک می‌گردد؛ ترکیباتی که مدیریت و دفع آنها چالش‌برانگیز است.
فناوری کابل‌های هسته-غلافی CNT می‌تواند آغازگر نسل جدیدی از موتور‌های الکتریکی سبک و پربازده باشد، اما هنوز مسیر زیادی تا تجاری‌سازی آن باقی مانده است. در صورت حل مشکلاتی مانند رسانایی پایین‌تر، هزینه بالا و اثرات زیست‌محیطی، این دستاورد می‌تواند به‌عنوان یک نقطه عطف در صنعت حمل‌ونقل الکتریکی، هوافضا و حتی الکترونیک‌های سبک‌وزن مطرح شود.
