No mundo da eletricidade, o cobre é rei – por enquanto. Isso pode mudar com uma nova pesquisa do Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), que está servindo uma receita para aumentar a condutividade do alumínio, tornando-o economicamente competitivo com o cobre. Esta pesquisa abre as portas para experimentos que – se totalmente realizados – poderiam levar a uma alternativa de alumínio ultracondutora ao cobre que seria útil em mercados além das linhas de transmissão, revolucionando veículos, eletrônicos e a rede elétrica.
"E se você pudesse tornar o alumínio mais condutor - até 80% ou 90% tão condutor quanto o cobre? Você poderia substituir o cobre e isso faria uma enorme diferença porque o alumínio mais condutor é mais leve, mais barato e mais abundante", disse Keerti Kappagantula, Cientista de materiais do PNNL e coautor da pesquisa. "Esse é o grande problema que estamos tentando resolver."

Cobre versus alumínio

A demanda de cobre está superando rapidamente sua disponibilidade atual, elevando seu custo. O cobre é um ótimo condutor elétrico – é usado em tudo, desde eletrônicos portáteis até cabos de transmissão subaquáticos que alimentam a internet – mas não há como escapar do fato de que o cobre está se tornando menos disponível e mais caro. Esses desafios só devem piorar com o aumento do número de veículos elétricos (EVs), que precisam de duas vezes mais cobre do que os veículos tradicionais. Além disso, o cobre é pesado, o que reduz a eficiência do EV.

O alumínio tem apenas um terço do preço e peso do cobre, mas tem apenas cerca de 60% de condutividade. A condutividade relativamente baixa do alumínio pode ser uma limitação em algumas aplicações do mundo real.

“A condutividade é fundamental porque um fio mais leve com condução equivalente pode ser usado para projetar motores mais leves e outros componentes elétricos, para que seu veículo possa percorrer distâncias maiores”, disse Kappagantula. "Tudo, desde a eletrônica de um carro até a geração de energia para transmitir essa energia para sua casa através da rede para carregar a bateria do seu carro - qualquer coisa que funcione com eletricidade - tudo pode se tornar mais eficiente."

Aumentar a condutividade do alumínio seria um divisor de águas.

"Durante anos, pensamos que os metais não poderiam ser mais condutores. Mas esse não é o caso", explicou Kappagantula. "Se você alterar a estrutura do metal e introduzir os aditivos certos, você pode realmente influenciar suas propriedades."

Para começar a descobrir o quanto a condutividade do alumínio poderia ser aumentada, Kappangantula e a pós-doutoranda do PNNL Aditya Nittala se uniram ao distinto professor David Drabold e ao estudante de pós-graduação Kashi Subedi da Universidade de Ohio para identificar os efeitos da temperatura e defeitos estruturais na condutividade do alumínio e desenvolver uma receita átomo por átomo para aumentar sua condutividade.

Um modelo de sucesso

Esse tipo de simulação molecular nunca havia sido feito para metais antes, então os pesquisadores tiveram que ser criativos. Eles buscaram inspiração nos semicondutores porque pesquisas anteriores haviam simulado com sucesso a condutividade nesses materiais à base de silício e alguns óxidos metálicos. A equipe adaptou esses conceitos para trabalhar com alumínio e simulou o que aconteceria com a condutividade do metal se átomos individuais em sua estrutura fossem removidos ou rearranjados. Essas pequenas mudanças resultaram em grandes ganhos na condutividade total.

A capacidade do modelo de simular condições do mundo real surpreendeu até a equipe. "Nós não pensamos que esses resultados seriam tão próximos da realidade", disse Kappagantula. "Esta simulação de modelo que é baseada na estrutura atômica e seus diferentes estados é tão precisa - eu fiquei tipo, 'Uau, isso está certo no alvo.' É muito emocionante."

Com uma receita teórica para alterar a condutividade do metal agora clara, os pesquisadores planejam ver o quanto eles podem aumentar a condutividade do alumínio no laboratório para combinar a teoria com os resultados experimentais. Eles também estão explorando a possibilidade de aumentar a condutividade de outros metais usando as mesmas simulações.

A pesquisa é publicada na Revisão Física B , e a equipe espera que o alumínio mais condutor tenha implicações de longo alcance – qualquer aplicação que use eletricidade ou cobre poderia se beneficiar do desenvolvimento de alumínio ultracondutor, leve e acessível. + Explorar mais

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