با موتور الکتریکی بدون مس تحولی در صنعت حمل و نقل ایجاد شد

دانشمندان مؤسسه علوم و فناوری کره (KIST) موفق به توسعه نسل جدیدی از سیم‌کشی‌های الکتریکی فوق سبک و رسانا از نانولوله‌های کربنی (CNT) شده‌اند که به‌طور کامل نیاز به مس و آلومینیوم را حذف می‌کند. این موفقیت با استفاده از فرآیندی موسوم به «بافت‌دهی سطحی با کمک کریستال مایع لیوتروپیک» یا به‌اختصار LAST حاصل شده است. در این روش، کابل‌های مرکب مغز پوسته‌ای (CSCEC) تولید می‌شوند که نه‌تنها برق را به‌خوبی هدایت می‌کنند، بلکه بسیار منعطف بوده و از همه مهم‌تر، فوق‌العاده سبک هستند.

هر سیم CSCEC تنها حدود ۰.۳ میلی‌متر ضخامت دارد؛ این شامل مغزی رسانا با قطر تقریبی ۲۵۶ میکرومتر و پوششی به ضخامت حدود ۱۰ میکرومتر است. به‌عبارتی، ضخامت کل سیم تقریباً معادل یک کارت ویزیت است، اما با این حال توانایی به‌حرکت درآوردن یک موتور را دارد. تاکنون این کابل‌ها توانسته‌اند جایگزین کامل مس در یک موتور الکتریکی کوچک مبتنی بر نانولوله کربنی شوند که نیروی محرکه یک خودرو را تأمین می‌کند.

دکتر دائه-یون کیم از KIST دراین‌باره گفت:

با توسعه یک فناوری جدید برای استفاده از نانولوله‌های کربنی با کیفیت بالا که پیش‌تر وجود نداشت، توانستیم عملکرد الکتریکی سیم‌پیچ‌های CNT را به حدی ارتقا دهیم که موتورهای الکتریکی بدون استفاده از فلز کار کنند.

در این مقاله از مجله گجت پارس دیجی قصد داریم تا موتور الکتریکی بدون مس و تحولی در صنعت حمل و نقل را بررسی کنیم.

مزایای استفاده از LAST

رمز موفقیت این فناوری، فرآیند LAST است. در این روش، از کریستال‌های مایع لیوتروپیک استفاده می‌شود، این مواد فازی از ماده هستند که مانند مایع جریان دارند ولی همانند بلورها نظم جهت‌دار دارند. این ویژگی باعث می‌شود نانولوله‌ های کربنی که تمایل دارند به هم بچسبند، به‌صورت یکنواخت تفکیک و مرتب شوند. همچنین با افزودن یک مرحله شست‌وشوی شیمیایی، ناخالصی‌های فلزی که در فرآیند تولید ایجاد می‌شوند از بین می‌روند، در حالی که ساختار نانویی یک‌بعدی و حیاتی نانولوله‌ها حفظ می‌شود.

نتیجه آن است که رسانایی الکتریکی کابل‌ها بیش از ۱۳۰ درصد افزایش یافته، وزن به‌شدت کاهش یافته و پایداری عملکرد در طول زمان حفظ شده است. در دنیای الکتریکی که معیارهایی مانند بهره‌وری، عمر باتری، برد حرکت، سرعت و غیره اهمیت بالایی دارند، وزن نقش کلیدی ایفا می‌کند.

موتورهای الکتریکی سنتی، با اینکه معمولاً بسیار سبک‌تر از موتورهای احتراق داخلی هستند، همچنان وزن قابل‌توجهی دارند. بخش زیادی از این وزن به سیم‌پیچ‌های مسی در استاتورها و سیم‌کشی گسترده داخل خودرو مربوط می‌شود.

پیشرفت اخیر KIST اگرچه فعلاً محدود به موتورهای الکتریکی است، اما امید داریم که روزی به سیم‌کشی عمومی برق نیز تعمیم یابد. به‌عنوان نمونه، در یک خودروی برقی مانند تسلا مدل S که از دو موتور بهره می‌برد، موتور جلو حدود ۳۲ کیلوگرم و موتور عقب حدود ۳۶ کیلوگرم وزن دارند. تقریباً ۲۵٪ از وزن هر موتور مربوط به سیم‌پیچ‌های مسی است. اگر این بخش‌ها با کابل‌های CSCEC جایگزین شوند، وزن کل دو موتور از ۶۸ کیلوگرم به حدود ۵۲ کیلوگرم کاهش می‌یابد.

این کاهش وزن شاید در برابر وزن کلی خودرو که ۲,۰۶۹ کیلوگرم است، ناچیز به‌نظر می رسد، اما در کاهش جرم چرخان تأثیر زیادی از جمله، شتاب‌گیری سریع‌تر، پاسخ گاز بهتر، انتقال گشتاور کارآمدتر و اتلاف مکانیکی کمتر دارد. همچنین بار گرمایی کاهش می‌یابد و درنتیجه سیستم خنک‌کننده می‌تواند کوچکتر و سبک‌تر طراحی شود. این اثرات زنجیره‌ای در نهایت منجر به افزایش عمر باتری و برد بیشتر خودرو می‌شود.

البته همه این‌ها در حد فرضیات و براساس داده‌های واقعی از تسلا هستند. در واقعیت، KIST موتور الکتریکی خود را با ولتاژی بین ۲ تا ۳ ولت و توان ۳.۵ وات آزمایش کرده که بسیار کمتر از هر خودروی برقی واقعی است.

اما اگر بخواهیم فرضیات را کمی گسترده‌تر کنیم، با اینکه اطلاعات دقیقی از میزان مس استفاده‌شده در هواپیماهای برقی مانند Joby در دست نیست، می‌توان تخمین زد که این مدل حدود ۹۰ تا ۱۳۶ کیلوگرم سیم‌کشی برای سیستم‌های پشتیبان خود دارد. این هواپیما شش موتور دارد که احتمالاً هرکدام حدود ۱۴ تا ۱۸ کیلوگرم سیم‌پیچ مسی دارند، که در مجموع معادل ۸۱ تا ۱۰۹ کیلوگرم می‌شود.

اگر KIST بتواند فناوری خود را به ولتاژ بالا و سیم‌کشی عمومی گسترش دهد، امکان کاهش ۱۳۶ تا ۲۲۷ کیلوگرم وزن از هواپیمای Joby وجود دارد. اگر از هر مهندس Joby بپرسید که آیا تمایل دارد یک‌چهارم تن از وزن هواپیمایش کم شود، احتمالاً با حیرت و خوشحالی پاسخ مثبت خواهد داد.

محدودیت های موتور الکتریکی بدون مس

حتی پس از فرآیند LAST، رسانایی نانولوله‌های کربنی هنوز به پای مس نمی‌رسد (حدود ۷.۷ مگاسیمنس بر متر در برابر ۵۹ برای مس). به‌عبارت دیگر، در ابعاد فیزیکی و ولتاژ برابر، جریان کمتری از طریق کابل CNT عبور می‌کند که به معنای توان خروجی کمتر است. برای مثال، موتور مبتنی بر CNT در آزمایش KIST حداکثر به ۳,۴۲۰ دور در دقیقه رسید، درحالی‌که معادل مسی آن به ۱۸,۱۲۰ دور در دقیقه دست یافت.

بااین‌حال، وزن هسته رسانای موتور CNT فقط یک‌پنجم نوع مسی بود. به‌همین دلیل، سرعت چرخش ویژه آن که معیاری کلیدی در صنعت هوافضا به‌حساب می‌آید، تنها حدود ۶٪ کمتر از نمونه مسی بود. بنابراین، عملکرد برحسب وزن چندان از مس عقب نمی‌ماند.

مسئله دیگر، هزینه است. کابل‌های مرکب مغز-پوسته‌ای از نانولوله کربنی قیمتی بین ۳۷۵ تا ۵۰۰ دلار به ازای هر کیلوگرم دارند، درحالی‌که قیمت هر کیلوگرم مس تنها حدود ۱۰ تا ۱۱ دلار است.

علاوه بر این، نمی‌توان به‌سادگی کابل‌های CNT را جایگزین مس در محصولات فعلی کرد؛ بلکه لازم است طراحی مهندسی سیستم‌ها از ابتدا برای نوع عایق، شکل سیم‌پیچ و دیگر اجزا انجام شود.

آینده و ملاحظات زیست‌محیطی

محققان معتقدند با بهینه‌سازی‌هایی مانند اصلاح پوشش‌های پلیمری یا جهت‌دهی بهتر به CNTها، می‌توان رسانایی را افزایش داد و شکاف با مس را بیشتر کاهش داد.

با اینکه نانولوله‌های کربنی می‌توانند به‌طور قابل‌توجهی وزن مواد را کاهش دهند، فرآیند ساخت آن‌ها نیز تأثیرات زیست‌محیطی قابل توجهی دارد. بیشتر این نانولوله‌ها از سوخت‌های فسیلی ساخته می‌شوند و فرآیند تولید آن‌ها انرژی‌بر بوده و مواد زائد سمی تولید می‌کند. برای مثال، فرآیند LAST از اسید کلروسولفونیک استفاده می‌کند و در مرحله شست‌وشو اسید هیدروکلریک تولید می‌شود.

نظریه کارشناس پارس دیجی موتور الکتریکی بدون مس

KIST با این دستاورد بزرگ، مسیر حرکت به سمت موتورهای کاملاً بدون فلز و وزنی بسیار سبک را نشان داده است. اکنون مهم است که این فناوری در کاربردهای واقعی مقیاس‌پذیر شود تا انقلابی در حوزه حمل‌ونقل و هوافضا صورت گیرد. به نظر شما این دستاورد جایگزینی فلز مس با استفاده از نانولوله‌های کربنی چه تاثیری در صنعت حمل و نقل خواهد گذاشت؟

مقایسه استفاده از فلز مس و نانولوله‌های کربنی در ساخت موتور

در ادامه به مقایسه استفاده از سیم مسی و استفاده از سیم نانولوله کربنی در موتور خواهیم پرداخت، تا بیشتر به مزایای استفاده از این تکنولوژی پی ببریم.

سوالات متداول

1-مزیت اصلی استفاده از سیم نانولوله کربنی در موتور چیست؟

رسانای کربنی حدود یک پنجم وزن نمونه مسی است، بنابراین برای کاربردهایی مانند خودرو یا پهپاد، کاهش جرم چرخان می‌تواند منجر به شتاب‌گیری سریع‌تر و بازدهی بیشتر شود.

2-محدودیت هایی که در استفاده از سیم نانولوله کربنی به وجود خواهد آمد، چیست؟

از محدودیت هایی که می توان برای استفاده از موتور الکتریکی بدون مس نام برد، رسانایی پایین تر و همچنین هزینه بالاتری دارد چرا که سیم CNT به ازای هر کیلوگرم حدود ۳۷۵ تا ۵۰۰ دلار هزینه دارد که بسیار گران‌تر از مس با قیمت ۱۰–۱۱ دلار می باشد .

3-هدف استفاده از این تکنولوژی در حمل و نقل چیست؟

اگر این فناوری بتواند در ولتاژ بالا و سیستم‌های واقعی مثل خودروها یا هواپیماهای برقی به‌کار رود، کاهش وزن کلی سیستم سیم‌کشی می‌تواند صدها کیلوگرم باشد، که دستاورد بزرگی به شمار می رود.

ثمینه تفقدی

ثمینه تفقدی هستم علاقه مند به محتوا نویسی، از سال ۲۰۲۴ به تیمی که در زمینه ارز دیجیتال فعالیت داشت پیوستم و از اوایل سال ۲۰۲۵ با علاقه مند شدن به گجت ها و نوآوری هایی که برای اولین بار در جهان اتفاق می افتد، باعث شد تا با تیم جوان و با پشتکار پارس دیجی آشنا بشم از اون تاریخ به بعد درباره بهترین گجت ها تحقیق میکنم تا اطلاعات بهینه ای را در اختیار خوانندگان محترم این سایت قرار دهم