Kable przyszłości mogą być sześć razy lżejsze od miedzi

Nanorurki węglowe zamiast miedzi mogą stać się jednym z najważniejszych materiałów przyszłej elektryfikacji. Hiszpańscy naukowcy pokazali skalowalną metodę wytwarzania lekkich włókien CNT o przewodnictwie zbliżonym do metali, ale przy masie wielokrotnie niższej niż w przypadku miedzi.

Miedź posiada niestety jeden nienaprawialny defekt, czyli swój duży ciężar. Właśnie na tym skupili się hiszpańscy naukowcy, publikując w „Science” pierwszą skalowalną metodę wytwarzania włókien z nanorurek węglowych o przewodnictwie elektrycznym zbliżonym do miedzi i aluminium przy masie sześciokrotnie mniejszej.

Każdy gram ma znaczenie

W lotnictwie i elektromobilności masa jest walutą. Każdy kilogram zaoszczędzony na instalacji elektrycznej samolotu przekłada się na setki kilogramów spalonego paliwa w całym cyklu życia maszyny. W samochodach elektrycznych lżejszy kabel to więcej zasięgu lub mniejsza bateria. Drony bojowe i komercyjne operują w środowiskach, gdzie różnica jednego grama może decydować o locie lub upadku. Miedź jest doskonała pod względem elektrycznym jednak nie może sprostać tym wymaganiom bez ofiary na wadze.

Doping z aluminium

Kluczem do zmiany była technika domieszkowania ciasno ułożonych włókien CNT związkiem AlCl₄. Wcześniejsze włókna z nanorurek cierpiały na problem nieciągłości kontaktów między poszczególnymi rurkami. Elektrony „potykały się” na styku elementów, drastycznie obniżając przewodnictwo. Domieszkowanie AlCl₄ ustabilizowało połączenia i zwiększyło przewodnictwo aż 17-krotnie. Ostatecznie uzyskane włókna osiągnęły 24,5 MS/m, czyli niemal połowę przewodnictwa miedzi , która ma 58 MS/m, ale przy sześciokrotnie mniejszej masie właściwej. W przeliczeniu na gram, CNT wygrywają z miedzią i aluminium.

Od laboratorium do fabryki

Zespół z Madrytu opisuje proces jako skalowalny, ale to słowo warto wziąć pod lupę. Skalowalność w laboratorium oznacza, że procedurę da się powtórzyć bez każdorazowego wymyślania od nowa. Skalowalność przemysłowa to zupełnie inna historia. Ile kosztuje produkcja kilograma włókna, jaka jest wydajność linii, jak zachowuje się materiał przy zginaniu i spajaniu? Artykuł w „Science” tych liczb nie podaje. Dla porównania, miedź kosztuje na rynkach towarowych około 10 dolarów za kilogram. Nanorurkowe włókna są dziś wielokrotnie droższe. Komercjalizacja może zająć od pięciu do piętnastu lat, chyba że presja regulacyjna lub militarna skróci dany horyzont.

Geopolityka kablowa

Za technologią stoi wymiar strategiczny. Miedź jest surowcem krytycznym dla transformacji energetycznej. Międzynarodowa Agencja Energetyczna szacuje, że do 2040 r. zapotrzebowanie na ten metal wzrośnie dwukrotnie, a główne złoża koncentrują się w Chile i Peru. Znalezienie substytutu redukuje strategiczną zależność krajów nieposiadających własnych zasobów.

Kable przyszłości

Historia materiałoznawstwa pełna jest przełomów, które zajęły dekady, nim dotarły do masowej aplikacji. Włókno szklane, aramidy, materiały kompozytowe. Nanorurki węglowe mają za sobą 30 lat intensywnych badań i kilka obiecujących, lecz niedokończonych opowieści o komercjalizacji. Tym razem jednak kontekst jest inny. Transformacja energetyczna i elektryfikacja transportu tworzą popyt, którego wcześniej nie było. Być może to właśnie moment, w którym nanorurka w końcu trafi w prąd.

Szymon Ślubowski