Průlom: Elektrické motory bez kovových vodičů díky uhlíkovým nanotrubičkám

Přelomová inovace: Motory s cívkami z uhlíkových nanotrubiček

Výzkumný tým pod vedením Dr. Dae-Yoona Kima z Korea Institute of Science and Technology (KIST) představil elektrický motor, jehož vinutí je vyrobeno výhradně z uhlíkových nanotrubiček (CNT) – zcela bez použití kovových vodičů. Předváděný prototyp jednoznačně potvrdil schopnost ovládat otáčky v závislosti na změně vstupního napětí, a tím dokázal, že i bez kovů lze přeměnit elektrickou energii v rotační pohyb. Tato novinka by mohla zásadně změnit přístup k lehkým elektromotorům používaným v elektromobilech, dronech, kosmických strojích či robotice.

Proč jsou cívky z CNT výjimečné?

Uhlíkové nanotrubičky představují jedno-dimenzionální válcovité nanomateriály složené z uhlíkových atomů uspořádaných do šestiúhelníkové mřížky. Ve srovnání s mědí i ostatními klasickými kovy jsou výrazně lehčí, přitom si zachovávají vysokou vodivost, pevnost v tahu a také dobré tepelné vlastnosti. Tyto výhody činí z CNT vyhledávané řešení pro inženýry, kteří usilují o vytvoření lehčích motorů a zlepšení dojezdu bateriových systémů.

Hlavní vlastnosti motoru s cívkou z CNT

• Bezkovový vodič: Vinutí je tvořeno pouze čistými uhlíkovými nanotrubičkami, čímž odpadá závislost na tradičních měděných nebo hliníkových drátech.
• Minimalizace hmotnosti: Nižší hmotnost vinutí napomáhá celkové úspoře váhy motoru a příslušného zařízení.
• Stabilní řízení otáček: Prototypy motorů předvedly předvídatelnou reakci otáček při změně vstupních napětí.
• Zlepšená vodivost díky purifikaci: Nový způsob zpracování zásadně snižuje přítomnost kovových nečistot na povrchu nanotrubiček.

Inovativní čištění s pomocí kapalných krystalů

Jednou z hlavních výzev použití CNT v praxi bývá zbytkový katalyzátor v podobě kovových částic po výrobě, které se udržují na povrchu nanotrubiček a zhoršují elektrickou vodivost. Tým z KIST navrhl unikátní čistící proces opírající se o vyrovnávání CNT v prostředí kapalných krystalů – stav hmoty mezi kapalinou a pevným tělesem. Uspořádání nanotrubiček v tomto médiu napomáhá rozrušení shluků a šetrnému odstranění kovových zbytků bez poškození struktury nanotrubiček. Výsledkem je vysoce kvalitní materiál s vodivostí vhodnou pro motorové cívky.

Srovnání a kompromisy oproti měděným cívkám

Cívky z CNT přinášejí oproti tradičnímu měděnému vinutí několik zásadních benefitů: nižší hmotnost, méně závislosti na dodavatelském řetězci s mědí a odolnost vůči cenové nestabilitě tohoto kovu. Přesto zbývá řada technických otázek – měď je zatím lépe zaběhlá v masové výrobě, osvědčila se v odvodu tepla i cenové efektivitě v řadě aplikací. KIST proto upozorňuje na potřebu podrobných srovnávacích měření energetické hustoty, účinnosti, chlazení i celkových nákladů v provozních podmínkách běžných elektromotorů.

Přínosy

• Nižší hmotnost může prodloužit dojezd elektromobilu, dobu letu bezpilotních letounů a snížit startovací hmotnost nosných raket.
• Větší odolnost dodavatelských řetězců díky omezení závislosti na mědi a její proměnlivé ceně.
• Purifikace CNT slibuje využití nejen v motorech, ale i v bateriích, polovodičových membránách či kabeláži pro robotiku.

Omezení a další kroky

Klíčovým úkolem je zvětšení měřítka výroby, zajištění tepelné stability, bezeztrátové začlenění CNT vinutí do sériově vyráběných strojů a ověření jejich dlouhodobé spolehlivosti. Rozsáhlé zkoušky efektivity a energetické hustoty rozhodnou, zda CNT cívky obstojí vedle měděných v pohonech elektromobilů či vysoce výkonných průmyslových aplikacích.

Praktické využití a tržní potenciál

V první fázi mají technologie ideální využití v lehkých motorech pro drony, robotiku a speciální leteckou techniku, kde rozhoduje každý gram. V delším horizontu, bude-li se metodu dařit ekonomicky škálovat, by se cívky z CNT mohly rozšířit i do elektromobilových motorů, průmyslových pohonů nebo špičkové spotřební elektroniky — nabízejíce výrobcům udržitelnou a předvídatelnou alternativu k mědi.

„Vyvinutím zcela nové technologie vysoce čistých CNT jsme maximalizovali elektrické vlastnosti vinutí pro pohon elektrických motorů bez kovu,“ uvádí Dr. Dae-Yoon Kim z KIST. Tým plánuje zaměřit použití CNT i na vodivé části baterií, polovodičové membrány a robotické kabely v rámci širší komercializace.

Pro lídry v technologii i vývoj produktů znamená tento výzkum novou materiálovou cestu — bezkovové vodiče, které by mohly umožnit ještě lehčí, efektivnější a udržitelnější elektrické systémy — za předpokladu, že se podaří zvládnout výzvy kolem škálování, chlazení a nákladů.