(Phys.org) —Ultra-ligero, cableado eléctrico de alto rendimiento, hecho de carbono en lugar de cobre, se ha desarrollado en una forma utilizable por primera vez.

Alambres superresistentes hechos de nanotubos de carbono, que podrían mejorar significativamente la eficiencia con la que se suministra electricidad en todo el Reino Unido, se han desarrollado de forma utilizable por primera vez.

Los alambres pesan una décima parte del cobre, y, si se utiliza en sistemas convencionales, también haría que los vehículos fueran más eficientes en combustible. Los cables, desarrollado por investigadores de la Universidad de Cambridge también se puede unir a alambres metálicos convencionales, que hasta ahora no ha sido posible, aumento de la perspectiva de las redes de energía híbrida.

Los nanotubos de carbono (CNT) son extremadamente delgados, cilindros huecos hechos de átomos de carbono. Se encuentran entre las fibras más rígidas y resistentes que se conocen, pero la dificultad para controlar con precisión sus propiedades ha hecho que sus aplicaciones prácticas hayan sido limitadas hasta ahora.

Como el grafeno Los CNT son fuertes, ligero y flexible. El ángulo, o quiralidad, en el que se enrollan las hojas de grafeno determina las propiedades de los nanotubos:si son metálicos, semimetálico, o semiconductores.

Ahora, Los investigadores de la Universidad de Cambridge han logrado un nivel de control sin precedentes sobre las propiedades de los CNT a gran escala. dando como resultado nanotubos que se pueden utilizar en sistemas eléctricos.

El cableado de cobre se utiliza en sistemas eléctricos debido a su historial comprobado y su excelente conductividad eléctrica. Sin embargo, en los sistemas modernos, Las deficiencias de cableado se hacen más evidentes a medida que aumentan las demandas funcionales. Por ejemplo, un gran satélite, con un peso de 15 toneladas o más, deriva un tercio de su peso del cableado de cobre. De manera similar en aviones comerciales, un Boeing 747 usa hasta 135 millas de alambre de cobre, con un peso de más de dos toneladas. Los alambres de cobre también se oxidan y corroen, son susceptibles a la fatiga por vibración y crean fallas electrónicas prematuras debido a condiciones de sobrecalentamiento.

Según el informe de ExxonMobil de 2010 The Outlook for Energy, Habrá un aumento del 80 por ciento en la demanda de electricidad para 2040. Con el aumento de la demanda, aumenta el riesgo de apagones. Para satisfacer la demanda Los proveedores de energía como National Grid pueden construir cinco veces más torres de transmisión, o encontrar un material que pueda transportar electricidad de manera más eficiente que el cobre.

"Para lograr estas propiedades eléctricas del carbono, se necesita un grado extremadamente alto de control sobre los nanotubos, "dice el Dr. Krzysztof Koziol del Departamento de Ciencia de Materiales y Metalurgia.

El proceso catalítico de síntesis continua de CNT fue desarrollado originalmente por el profesor Alan Windle del mismo departamento. Utiliza la deposición de vapor químico (CVD) para hacer girar los nanotubos en hilos largos, una décima parte del ancho de un cabello humano, de lo que se asemeja a una máquina de hilo de azúcar de alta tecnología.

El proceso de hilado ha sido desarrollado por el profesor Windle y el Dr. Koziol para aplicaciones eléctricas, logrando una síntesis muy selectiva, y producir material de alta pureza que consta exclusivamente de nanotubos de pared doble o multicapa. Recientemente, el proceso fue llevado al siguiente nivel, donde se produjeron CNT metálicos de pared simple altamente controlados con un nivel de pureza muy alto. Si bien la mayoría de los NTC se cultivan en 'bosques' sobre un sustrato con el uso de un catalizador, el equipo de Cambridge los cultiva inyectando los materiales precursores (generalmente metano) y el catalizador en fase gaseosa en el reactor.

Controlando el diámetro de los CNT, el equipo de Cambridge puede controlar indirectamente la quiralidad. Las partículas de catalizador de tamaño nanométrico, en este caso hierro, actuar como plantilla para el crecimiento de los nanotubos. La adición de azufre o especies de carbono selectivas da como resultado una nube de fibras de nanotubos con suficiente integridad mecánica para ser extraídas del reactor en hebras continuas a una velocidad de aproximadamente 20 metros por minuto.

Una vez que los hilos de CNT se extraen del reactor, se retuercen entre sí para formar ultraligeros, alambres superresistentes de un milímetro de espesor, que se puede aislar y utilizar como cableado eléctrico.

"Es razonablemente sencillo para nosotros hacer un cable de carbono de un metro de largo y usarlo en un sistema eléctrico, "dice el Dr. Koziol." Ya no estamos hablando de milímetros de largo, muestras minuciosas ".

Un metro de cable es una cosa, pero incorporarlo a una casa o un avión es otra muy distinta. Un cable de carbono de alta eficiencia no tiene utilidad práctica si no se puede conectar a sistemas convencionales. Mientras que los cables metálicos se pueden conectar entre sí mediante soldadura, el carbono no se puede conectar al metal de esta manera usando soldadura regular a base de estaño.

El equipo del Dr. Koziol ha desarrollado una aleación que puede soldar cables de carbono, ya sea entre sí o con alambres metálicos, haciendo posible incorporar alambres de carbono en sistemas basados ​​en metales. La soldadura también podría usarse para grafeno, que actualmente se une mediante la sujeción de hojas entre sí.

Los alambres hechos de carbono son 10 veces más ligeros y hasta 30 veces más resistentes que el cobre. Los cables de carbono son resistentes a la corrosión y pueden transportar una corriente mucho más alta. Adicionalmente, Las pérdidas en la eficiencia de transmisión con el aumento de temperatura son significativamente menores que en los cables de cobre tradicionales.

Aunque el cobre es reciclable y existen depósitos ubicados en todo el mundo, se estima que la demanda mundial de cobre superará la cantidad extraíble del suelo a finales de este siglo, debido en gran parte a la creciente demanda de electricidad.

El principal obstáculo técnico que debe superarse para que el cableado de carbono sea una realidad práctica es la mejora de la conductividad. En este momento, los cables de CNT producidos por el laboratorio del Dr. Koziol son menos conductores que el cobre. Cada nanotubo individual tiene solo un milímetro de largo, y en cada unión en un cable largo, se producen pérdidas de conductividad.

El Dr. Koziol y sus colaboradores están trabajando para lograr al menos niveles comparables de conductividad al cobre con el fin de acelerar el desarrollo comercial del cableado de carbono. mejorando el proceso de formación para hacer nanotubos significativamente más largos, y mediante el uso de métodos químicos para permitir mejores conexiones entre nanotubos individuales. El equipo también está trabajando en nuevos métodos de transmisión de energía donde la resistencia de las uniones en los cables CNT ya no es crítica.

Mientras tanto, hay preparativos para una gran, proyecto multiindustrial que se iniciará a finales de año y que será un paso intermedio importante:un hilo híbrido carbono-cobre en el que el carbono se dispersa por todo el cobre, haciendo el cobre más ligero y más fuerte, al tiempo que reduce aún más las pérdidas de transmisión.