(Phys.org) —Ultralicht, hoogwaardige elektrische bedrading, gemaakt van koolstof in plaats van koper, is voor het eerst in een bruikbare vorm ontwikkeld.

Supersterke draden gemaakt van koolstofnanobuisjes, die de efficiëntie waarmee elektriciteit in het VK wordt geleverd aanzienlijk kunnen verbeteren, zijn voor het eerst in een bruikbare vorm ontwikkeld.

De draden zijn een tiende van het gewicht van koper, en, indien gebruikt in conventionele systemen, zou voertuigen ook zuiniger maken. de draden, ontwikkeld door onderzoekers van de Universiteit van Cambridge, kan ook worden verbonden met conventionele metaaldraden, wat tot nu toe niet mogelijk was, het vooruitzicht van hybride energienetwerken te vergroten.

Koolstof nanobuisjes (CNT's) zijn extreem dun, holle cilinders gemaakt van koolstofatomen. Ze behoren tot de stijfste en sterkste vezels die bekend zijn, maar de moeilijkheid om hun eigenschappen precies te beheersen, heeft ertoe geleid dat hun praktische toepassingen tot nu toe beperkt waren.

zoals grafeen, CNT's zijn sterk, lichtgewicht en flexibel. De engel, of chiraliteit, waarbij de vellen grafeen worden opgerold, bepaalt de eigenschappen van de nanobuisjes:of ze van metaal zijn, semi-metalen, of halfgeleiders.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de Universiteit van Cambridge hebben op grote schaal een ongekend niveau van controle bereikt over de eigenschappen van CNT's, wat resulteert in nanobuisjes die kunnen worden gebruikt in elektrische systemen.

Koperen bedrading wordt gebruikt in elektrische systemen vanwege de bewezen geschiedenis en uitstekende elektrische geleidbaarheid. Echter, in moderne systemen, tekortkomingen in de bedrading worden steeds duidelijker naarmate de functionele eisen toenemen. Bijvoorbeeld, een grote satelliet, met een gewicht van 15 ton of meer, ontleent een derde van zijn gewicht aan koperen bedrading. Evenzo in commerciële vliegtuigen, een Boeing 747 gebruikt maar liefst 135 mijl koperdraad, met een gewicht van meer dan twee ton. Koperdraden oxideren en corroderen ook, zijn gevoelig voor trillingsmoeheid en veroorzaken voortijdige elektronische storingen als gevolg van oververhitting.

Volgens het rapport van ExxonMobil uit 2010 The Outlook for Energy, de vraag naar elektriciteit zal tegen 2040 met 80 procent zijn gestegen. Met een grotere vraag komt er een groter risico op stroomuitval. Om aan de vraag te voldoen, energieleveranciers zoals het National Grid kunnen vijf keer meer zendmasten bouwen, of zoek een materiaal dat elektriciteit efficiënter kan transporteren dan koper.

"Om deze elektrische eigenschappen van koolstof te verkrijgen, een extreem hoge mate van controle over de nanobuisjes nodig is, " zegt dr. Krzysztof Koziol van de afdeling Materials Science &Metallurgy.

Het katalytische continue syntheseproces van CNT's werd oorspronkelijk ontwikkeld door professor Alan Windle van dezelfde afdeling. Het maakt gebruik van chemische dampafzetting (CVD) om de nanobuisjes in lange draden te spinnen, een tiende van de breedte van een mensenhaar, van wat lijkt op een hightech suikerspinmachine.

Het spinproces is verder ontwikkeld door Professor Windle en Dr. Koziol voor elektrische toepassingen, door een zeer selectieve synthese te bereiken, en het produceren van zeer zuiver materiaal dat uitsluitend bestaat uit enkelvoudige, dubbelwandige of meerwandige nanobuisjes. Onlangs werd het proces naar een hoger niveau getild, waar zeer gecontroleerde metalen enkelwandige CNT's werden geproduceerd met een zeer hoge mate van zuiverheid. Terwijl de meeste CNT's in 'bossen' worden gekweekt op een substraat met behulp van een katalysator, het Cambridge-team kweekt ze door de voorlopermaterialen (meestal methaan) en de katalysator in de gasfase in de reactor te injecteren.

Door de diameter van de CNT's te regelen, het Cambridge-team kan indirect de chiraliteit controleren. De katalysatordeeltjes van nanogrootte, in dit geval ijzer, fungeren als een sjabloon voor het kweken van de nanobuisjes. De toevoeging van zwavel of selectieve koolstofsoorten resulteert in een wolk van nanobuisvezels met voldoende mechanische integriteit om in continue strengen uit de reactor te worden getrokken met een snelheid van ongeveer 20 meter per minuut.

Zodra de CNT-draden uit de reactor zijn getrokken, ze zijn in elkaar gedraaid om ultralicht te vormen, supersterke draden van één millimeter dik, die kan worden geïsoleerd en gebruikt als elektrische bedrading.

"Het is voor ons redelijk eenvoudig om van koolstof een meter lange draad te maken en die in een elektrisch systeem te gebruiken, " zegt dr. Koziol. "We hebben het niet langer over millimeterlange, minuutmonsters."

Een meter draad is één ding, maar het opnemen in een huis of een vliegtuig is iets heel anders. Een zeer efficiënte koolstofdraad heeft geen praktisch nut als deze niet kan worden aangesloten op conventionele systemen. Terwijl metaaldraden met elkaar kunnen worden verbonden door te solderen, koolstof kan niet op deze manier met metaal worden verbonden met gewoon soldeer op tinbasis.

Het team van Dr. Koziol heeft een legering ontwikkeld die koolstofdraden kan solderen, aan elkaar of aan metaaldraden, waardoor het mogelijk is om koolstofdraden op te nemen in op metaal gebaseerde systemen. Het soldeer kan ook worden gebruikt voor grafeen, die momenteel wordt verbonden door platen aan elkaar te klemmen.

Draden gemaakt van koolstof zijn 10 keer lichter en tot 30 keer sterker dan koper. De koolstofdraden zijn corrosiebestendig en kunnen een veel hogere stroom voeren. Aanvullend, verliezen in transmissie-efficiëntie met toenemende temperatuur zijn aanzienlijk kleiner dan bij traditionele koperdraden.

Hoewel koper recyclebaar is en er overal ter wereld afzettingen zijn, naar schatting zal de wereldwijde vraag naar koper tegen het einde van deze eeuw groter zijn dan de hoeveelheid die uit de grond kan worden gewonnen, grotendeels te wijten aan de toenemende vraag naar elektriciteit.

De belangrijkste technische hindernis die moet worden overwonnen om koolstofbedrading praktisch te maken, is het verbeteren van de geleidbaarheid. Momenteel, de CNTs-draden geproduceerd door het laboratorium van Dr. Koziol zijn minder geleidend dan koper. Elke afzonderlijke nanobuis is slechts één millimeter lang, en bij elke kruising in een lange draad, geleidbaarheidsverliezen optreden.

Dr. Koziol en zijn medewerkers werken aan het bereiken van ten minste vergelijkbare niveaus van geleidbaarheid voor koper om de commerciële ontwikkeling van koolstofbedrading te versnellen, door zowel het vormingsproces te verbeteren om aanzienlijk langere nanobuisjes te maken, en door chemische methoden te gebruiken om betere verbindingen tussen individuele nanobuisjes mogelijk te maken. Het team werkt ook aan nieuwe methoden voor krachtoverbrenging waarbij junctieweerstand in CNT-draden niet langer van cruciaal belang is.

Ondertussen, er zijn voorbereidingen voor een grote, multi-industrieel project dat eind dit jaar van start gaat en een belangrijke tussenstap zal zijn:een hybride koolstof-koperdraad waarin de koolstof door het koper wordt verspreid, waardoor het koper lichter en sterker wordt, terwijl de transmissieverliezen verder worden verminderd.