(Phys.org) — Ultraleggero, cablaggio elettrico ad alte prestazioni, fatto di carbonio anziché di rame, è stato sviluppato per la prima volta in una forma utilizzabile.

Fili super resistenti realizzati con nanotubi di carbonio, che potrebbero migliorare significativamente l'efficienza con cui l'elettricità viene fornita in tutto il Regno Unito sono stati sviluppati per la prima volta in una forma utilizzabile.

I fili pesano un decimo del rame, e, se utilizzato in sistemi convenzionali, renderebbe anche i veicoli più efficienti dal punto di vista dei consumi. I fili, sviluppati dai ricercatori dell'Università di Cambridge possono essere uniti anche ai tradizionali fili metallici, che fino ad ora non è stato possibile, aumentare la prospettiva di reti energetiche ibride.

I nanotubi di carbonio (CNT) sono estremamente sottili, cilindri cavi fatti di atomi di carbonio. Sono tra le fibre più rigide e resistenti conosciute, ma la difficoltà nel controllare con precisione le loro proprietà ha fatto sì che le loro applicazioni pratiche siano state limitate fino ad ora.

Come il grafene, I CNT sono forti, leggero e flessibile. L'angolo, o chiralità, a cui vengono arrotolati i fogli di grafene determina le proprietà dei nanotubi:se sono metallici, semi-metallico, o semiconduttori.

Ora, i ricercatori dell'Università di Cambridge hanno raggiunto un livello di controllo senza precedenti sulle proprietà dei CNT su larga scala, con conseguente nanotubi che possono essere utilizzati nei sistemi elettrici.

Il cablaggio in rame viene utilizzato negli impianti elettrici a causa della sua comprovata storia e dell'eccellente conduttività elettrica. Però, nei sistemi moderni, le carenze di cablaggio stanno diventando più evidenti con l'aumento delle esigenze funzionali. Per esempio, un grande satellite, del peso di 15 tonnellate o più, deriva un terzo del suo peso dal cablaggio in rame. Allo stesso modo negli aerei commerciali, un Boeing 747 utilizza fino a 135 miglia di filo di rame, di peso superiore alle due tonnellate. Anche i fili di rame si ossidano e si corrodono, sono suscettibili alla fatica delle vibrazioni e creano guasti prematuri dell'elettronica a causa di condizioni di surriscaldamento.

Secondo il rapporto 2010 di ExxonMobil The Outlook for Energy, ci sarà un aumento dell'80 per cento della domanda di elettricità entro il 2040. Con l'aumento della domanda aumenta il rischio di blackout. Per soddisfare la domanda, fornitori di energia come la National Grid possono costruire cinque volte più torri di trasmissione, o trovare un materiale in grado di trasportare l'elettricità in modo più efficiente del rame.

"Per ottenere queste proprietà elettriche dal carbonio, è necessario un altissimo grado di controllo sui nanotubi, " afferma il dottor Krzysztof Koziol del Dipartimento di Scienza dei Materiali e Metallurgia.

Il processo di sintesi continua catalitica dei CNT è stato originariamente sviluppato dal professor Alan Windle dello stesso dipartimento. Utilizza la deposizione chimica da vapore (CVD) per estrarre i nanotubi in lunghi fili, un decimo della larghezza di un capello umano, da quella che assomiglia a una macchina per lo zucchero filato ad alta tecnologia.

Il processo di filatura è stato ulteriormente sviluppato dal Professor Windle e dal Dr Koziol per applicazioni elettriche, ottenendo una sintesi molto selettiva, e producendo materiale altamente puro costituito esclusivamente da nanotubi a doppia o multi parete. Recentemente il processo è stato spinto al livello successivo, dove sono stati prodotti CNT metallici a parete singola altamente controllati con un livello molto elevato di purezza. Mentre la maggior parte dei CNT viene coltivata in "foreste" su un substrato con l'uso di un catalizzatore, il team di Cambridge li coltiva iniettando nel reattore i materiali precursori (di solito metano) e il catalizzatore in fase gassosa.

Controllando il diametro dei CNT, il team di Cambridge può controllare indirettamente la chiralità. Le particelle di catalizzatore di dimensioni nanometriche, in questo caso ferro, fungere da modello per la crescita dei nanotubi. L'aggiunta di specie di zolfo o carbonio selettivo si traduce in una nuvola di fibre di nanotubi con integrità meccanica sufficiente per essere estratta dal reattore in filamenti continui a una velocità di circa 20 metri al minuto.

Una volta che i fili CNT vengono estratti dal reattore, sono attorcigliati insieme per formare ultraleggeri, fili super resistenti spessi un millimetro, che può essere isolato e utilizzato come cablaggio elettrico.

"Per noi è ragionevolmente semplice realizzare un filo di carbonio lungo un metro e utilizzarlo in un impianto elettrico, " dice il dottor Koziol. "Non stiamo più parlando di millimetri di lunghezza, campioni minuscoli."

Un metro di filo è una cosa, ma incorporarlo in una casa o in un aeroplano è tutt'altra cosa. Un filo di carbonio ad alta efficienza non è di alcuna utilità pratica se non può essere collegato a sistemi convenzionali. Mentre i fili metallici possono essere collegati tra loro tramite saldatura, il carbonio non può essere collegato al metallo in questo modo utilizzando una normale saldatura a base di stagno.

Il team del Dr Koziol ha sviluppato una lega in grado di saldare fili di carbonio, l'uno con l'altro o con fili metallici, consentendo di incorporare fili di carbonio in sistemi a base metallica. La saldatura potrebbe essere utilizzata anche per il grafene, che è attualmente unito da fogli di bloccaggio insieme.

I fili in carbonio sono 10 volte più leggeri e fino a 30 volte più resistenti del rame. I fili di carbonio sono resistenti alla corrosione e possono trasportare una corrente molto più elevata. Inoltre, le perdite di efficienza di trasmissione all'aumentare della temperatura sono significativamente inferiori rispetto ai tradizionali fili di rame.

Sebbene il rame sia riciclabile e vi siano giacimenti in tutto il mondo, si stima che la domanda globale di rame supererà la quantità estraibile dal suolo entro la fine di questo secolo, dovuto in gran parte alla crescente domanda di energia elettrica.

Il principale ostacolo tecnico che deve essere superato per rendere il cablaggio in carbonio una realtà pratica è il miglioramento della conduttività. Al momento, i fili dei CNT prodotti dal laboratorio del dottor Koziol sono meno conduttivi del rame. Ogni singolo nanotubo è lungo solo un millimetro, e ad ogni giunzione in un lungo filo, si verificano perdite di conducibilità.

Il dottor Koziol e i suoi collaboratori stanno lavorando per raggiungere livelli di conducibilità almeno comparabili al rame al fine di accelerare lo sviluppo commerciale dei cablaggi in carbonio, sia migliorando il processo di formazione per realizzare nanotubi significativamente più lunghi, e utilizzando metodi chimici per consentire migliori connessioni tra i singoli nanotubi. Il team sta anche lavorando a nuovi metodi di trasmissione dell'energia in cui la resistenza di giunzione nei cavi CNT non è più critica.

Intanto, ci sono preparativi per un grande, progetto multiindustriale da partire alla fine dell'anno che sarà un importante passaggio intermedio:un filo ibrido carbonio-rame in cui il carbonio è disperso nel rame, rendendo il rame più leggero e più forte, riducendo ulteriormente le perdite di trasmissione.