طور باحثون في المعهد الكوري للعلوم والتكنولوجيا (KIST) فئة جديدة من أسلاك الكربون النانوية (CNT)، خفيفة الوزن وعالية التوصيل، تمكنت من استبدال النحاس والألمنيوم في المحركات الكهربائية، وأثبتت فعاليتها في تشغيل محرك دون الحاجة إلى أي معدن في ملفاته.

ابتكر الباحثون كابلات أطلقوا عليها اسم CSCEC اختصاراً لـ Core-Sheath Composite Electric Cables، تتمتع بمرونة عالية ووزن خفيف جداً. يبلغ سمك السلك الواحد، المكون من قلب موصل وغلاف عازل، حوالي 0.3 ملم فقط، حيث يشكل القلب الموصل 0.256 ملم من هذا السمك، بينما يبلغ سمك الغلاف 0.01 ملم. هذه التقنية الفريدة أتاحت استخدام أسلاك الأنابيب النانوية الكربونية في محرك كهربائي صغير، وقد تم تطبيقها بنجاح لتشغيل محرك سيارة لعبة.

تضمنت عملية تحسين هذه الأسلاك استخدام تقنية مبتكرة تُعرف بـ "LAST" (Lyotropic Liquid Crystal-Assisted Surface Texturing). تستفيد هذه العملية من البلورات السائلة اليوتروبية لمواءمة وفصل أسلاك الأنابيب النانوية الكربونية، بالإضافة إلى إزالة الشوائب المعدنية الناتجة عن عملية التصنيع. وقد أدى ذلك إلى تحسين الموصلية الكهربائية بشكل ملحوظ بنسبة تزيد عن 130%، مع تقليل الوزن بشكل كبير، والحفاظ على استقرار أداء وحدات CSCEC على المدى الطويل.

يبلغ وزن هذه الكابلات خمس وزن قلب الموصل النحاسي المكافئ، وهذا يساهم في تقليل الوزن الكلي للمحرك بشكل كبير، وهي ميزة حاسمة للتطبيقات التي تتطلب خفة الوزن مثل السيارات والطائرات الكهربائية.

لكن على الرغم من أن الموصلية الكهربائية لهذه الأسلاك (7.7 ميجا سيمنز/متر) لم تصل بعد إلى مستوى موصلية النحاس (59 ميجا سيمنز/متر)، إلا أن الأداء لكل وحدة وزن لا يقل كثيراً عن النحاس، مما يجعل العمل على تطويرها واعداً للغاية. وقد أظهرت الاختبارات أن سرعة الدوران الناتجة عن نفس الوزن تكون أقل بنسبة 6% من النحاس، أي أنها أقل كفاءة حالياً.

تتراوح تكلفة إنتاج هذه الكابلات بين 375 و 500 دولار للكيلوغرام الواحد، وهو مبلغ مرتفع جداً مقارنة بالنحاس، مما يجعلها غير اقتصادية للاستخدام واسع النطاق في الوقت الحالي. كما أن هذه المحركات لم تُختبر إلا عند جهد كهربائي منخفض يتراوح بين 2 و 3 فولت وبقدرة 3.5 واط، وهي طاقة أقل بكثير من المتطلبات لأي سيارة حقيقية. لذلك، فهي في الوقت الحالي مناسبة فقط لتطبيقات مثل ألعاب الأطفال إذا انخفضت تكلفتها، ولا تزال غير قابلة للتطبيق على نطاق واسع في الصناعة.

لا تزال هذه التقنية في مراحلها المبكرة، ولكن مستقبلها يبدو واعداً جداً. فإذا تم تحسين موصليتها الكهربائية وخفض تكلفتها، فإن استخدامها قد يُحدث ثورة في صناعة المحركات الكهربائية، فإن ساهمت في تخفيض وزن الطائرات الكهربائية سيؤدي ذلك إلى زيادة كفاءة ومدى تشغيل المركبات الكهربائية وهذا ما يحفز استمرار البحث لتطويره هذه الكابلات.

نشرت الدراسة في سبرينجر.