Конец эры меди: нанотехнологии меняют будущее
Учёные из Южной Кореи всерьёз замахнулись на то, чтобы в будущем избавить электродвигатели от металла. В Корейском институте науки и технологий (KIST) разработали новый тип проводки, который может полностью заменить медь и алюминий. Речь идёт о сверхлёгких кабелях из углеродных нанотрубок. Их не только можно гнуть как угодно — они по-настоящему удивляют своими возможностями. Внешне такой провод напоминает тонкую леску — всего 0,3 мм в толщину вместе с изоляцией. Однако при всей своей миниатюрности он легко передаёт ток, достаточный для питания электродвигателя.
Ключ к технологии — в сложном, но крайне эффективном процессе под названием лиотропное жидкокристаллическое текстурирование, или просто LAST. Благодаря ему удаётся структурировать углеродные нанотрубки, сделать их параллельными и освободить от примесей, мешающих проводимости. В результате кабель становится легче, стабильнее, проводит электричество на 130% лучше и уже работает в тестовом двигателе — пусть пока и маленьком, подходящем для модели автомобиля.
Выгода очевидна. Современные электромобили, вроде Tesla, используют массу меди — до 68 килограммов только на обмотки моторов. Замена хотя бы части этого объёма на нанотрубки позволила бы уменьшить вес машины на десятки килограммов. А каждый килограмм, сэкономленный в конструкции, — это увеличение дальности хода, экономия энергии и снижение нагрузки на охлаждение. Казалось бы, мелочь. Но в автомобильной и особенно в аэрокосмической технике нет незначительных деталей. Меньший вес — это всегда преимущество.
Показателен пример воздушного такси Joby. По прикидкам, оно содержит до 227 килограммов медной проводки. Теоретически, её замена на нанотрубки позволила бы выиграть четверть тонны. А это уже радикально меняет подход к аэродинамике, распределению нагрузок и энергоэффективности. Конечно, пока это гипотеза, ведь корейская разработка тестировалась на мощностях, далёких от реальных условий — всего 3,5 ватта и 2–3 вольта. Но потенциал есть.
Правда, и сложностей немало. Несмотря на впечатляющие показатели удельной производительности, углеродные нанотрубки пока не дотягивают до меди по электропроводности. На практике это означает, что при одинаковом сечении ток через них проходит меньший, а значит, нужна иная конструкция катушек и моторов. Инженерам придётся проектировать всё заново, а это — время, деньги и масса новых технических решений.
Есть и ещё один немаловажный нюанс — цена. Медь стоит около 11 долларов за килограмм. Нанотрубки — от 375 до 500. Разница колоссальная. Даже при всех преимуществах нового материала, массовое применение в ближайшие годы маловероятно, хотя спрос со стороны высокотехнологичных отраслей уже формируется. Особенно интерес к такой проводке проявляют разработчики лёгких дронов, летающих такси и военных беспилотников.
Также стоит помнить об экологической стороне вопроса. Производство нанотрубок требует серьёзных ресурсов и сопровождается образованием токсичных веществ. Процесс LAST, применяемый корейскими исследователями, использует хлоросульфоновую и соляную кислоту. Это — серьёзные реагенты, с которыми не так-то просто обращаться без ущерба для окружающей среды. Следовательно, внедрение должно сопровождаться и развитием технологий очистки и утилизации.
История знает много случаев, когда новые материалы меняли отрасли. Графен, например, в своё время вызвал настоящий ажиотаж, но до широкого применения добрался далеко не сразу. С углеродными нанотрубками ситуация похожая. Они появились более двух десятилетий назад, но только сейчас начинают подбираться к массовому использованию. Работы KIST — важный шаг в этом направлении.
Можно ожидать, что в первую очередь подобные технологии появятся в сфере, где на вес действительно смотрят очень строго. Это — авиация, космос, беспилотная техника. Затем, по мере удешевления и отработки процессов, углеродные нанотрубки доберутся до электромобилей и потребительской электроники. Уже сегодня такие материалы вызывают интерес у разработчиков ноутбуков и смартфонов. Там тоже важно снижать вес и избавляться от металла. Особенно это актуально на фоне тренда на миниатюризацию.
Россия, к слову, тоже активно развивает направления, связанные с углеродными наноматериалами. В стране работают десятки лабораторий, занимающихся синтезом, отработкой технологий и оценкой прочностных характеристик новых композитов. В будущем подобные инновации могут лечь в основу отечественных разработок в военной и космической отраслях.
И хотя до широкого применения ещё далеко, ясно одно: время, когда медь была безальтернативной основой проводки, подходит к концу. Наступает эпоха лёгких, гибких и сверхпроводящих решений, которые однажды станут основой всего — от автомобилей до энергетики.
