p (Phys.org) —Ultra-light, fiação elétrica de alto desempenho, feito de carbono em vez de cobre, foi desenvolvido em uma forma utilizável pela primeira vez. p Fios superfortes feitos de nanotubos de carbono, que poderiam melhorar significativamente a eficiência com que a eletricidade é fornecida em todo o Reino Unido, foram desenvolvidos de uma forma utilizável pela primeira vez.

p Os fios têm um décimo do peso do cobre, e, se usado em sistemas convencionais, também tornaria os veículos mais eficientes em termos de combustível. Os fios, desenvolvido por pesquisadores da Universidade de Cambridge também pode ser unido a fios de metal convencionais, que até agora não foi possível, aumentando a perspectiva de redes de energia híbrida.

p Nanotubos de carbono (CNTs) são extremamente finos, cilindros ocos feitos de átomos de carbono. Eles estão entre as fibras mais rígidas e fortes conhecidas, mas a dificuldade em controlar precisamente suas propriedades significa que suas aplicações práticas têm sido limitadas até agora.

p Como o grafeno, CNTs são fortes, leve e flexível. O ângulo, ou quiralidade, em que as folhas de grafeno são enroladas determina as propriedades dos nanotubos:sejam eles metálicos, semi-metálico, ou semicondutores.

p Agora, pesquisadores da Universidade de Cambridge alcançaram um nível sem precedentes de controle sobre as propriedades dos CNTs em grande escala, resultando em nanotubos que podem ser usados ​​em sistemas elétricos.

p A fiação de cobre é usada em sistemas elétricos por causa de sua história comprovada e excelente condutividade elétrica. Contudo, em sistemas modernos, as deficiências de fiação estão se tornando mais aparentes à medida que as demandas funcionais aumentam. Por exemplo, um grande satélite, pesando 15 toneladas ou mais, deriva um terço de seu peso da fiação de cobre. Da mesma forma em aeronaves comerciais, um Boeing 747 usa até 135 milhas de fio de cobre, pesando mais de duas toneladas. Os fios de cobre também oxidam e corroem, são suscetíveis à fadiga por vibração e criam falhas eletrônicas prematuras devido a condições de superaquecimento.

p De acordo com o relatório da ExxonMobil de 2010, The Outlook for Energy, haverá um aumento de 80% na demanda de eletricidade até 2040. Com o aumento da demanda, vem o risco de apagões. Para atender a demanda, fornecedores de energia como a National Grid podem construir cinco vezes mais torres de transmissão, ou encontre um material que possa transportar eletricidade de forma mais eficiente do que o cobre.

p “Para alcançar essas propriedades elétricas do carbono, um grau extremamente alto de controle sobre os nanotubos é necessário, "diz o Dr. Krzysztof Koziol do Departamento de Ciência de Materiais e Metalurgia.

p O processo de síntese catalítica contínua de CNTs foi originalmente desenvolvido pelo Professor Alan Windle do mesmo departamento. Ele usa deposição de vapor químico (CVD) para girar os nanotubos em fios longos, um décimo da largura de um cabelo humano, do que se assemelha a uma máquina de algodão doce de alta tecnologia.

p O processo de fiação foi desenvolvido pelo Professor Windle e pelo Dr. Koziol para aplicações elétricas, alcançando uma síntese muito seletiva, e a produção de material altamente puro consistindo exclusivamente de nanotubos de parede dupla ou múltipla. Recentemente, o processo foi levado para o próximo nível, onde os CNTs metálicos de parede única altamente controlados foram produzidos com um nível de pureza muito alto. Enquanto a maioria dos CNTs são cultivados em 'florestas' em um substrato com o uso de um catalisador, a equipe de Cambridge os desenvolve injetando os materiais precursores (geralmente metano) e o catalisador na fase gasosa no reator.

p Ao controlar o diâmetro dos CNTs, a equipe de Cambridge pode controlar indiretamente a quiralidade. As partículas de catalisador de tamanho nano, neste caso, ferro, atuar como um modelo para o crescimento dos nanotubos. A adição de enxofre ou espécies seletivas de carbono resulta em uma nuvem de fibras de nanotubos com integridade mecânica suficiente para ser puxada para fora do reator em fios contínuos a uma taxa de aproximadamente 20 metros por minuto.

p Uma vez que os fios de CNT são puxados para fora do reator, eles são torcidos juntos para formar ultraleves, fios superfortes com um milímetro de espessura, que pode ser isolada e usada como fiação elétrica.

p "É razoavelmente simples para nós fazer um fio de carbono com um metro de comprimento e usá-lo em um sistema elétrico, "diz o Dr. Koziol." Já não estamos falando de milímetros de comprimento, amostras de minuto. "

p Um metro de fio é uma coisa, mas incorporá-lo a uma casa ou a um avião é outra bem diferente. Um fio de carbono altamente eficiente não tem uso prático se não puder ser conectado a sistemas convencionais. Embora os fios de metal possam ser conectados uns aos outros por meio de solda, o carbono não pode ser conectado ao metal dessa forma usando solda regular à base de estanho.

p A equipe do Dr. Koziol desenvolveu uma liga que pode soldar fios de carbono, entre si ou com fios de metal, tornando possível incorporar fios de carbono em sistemas baseados em metal. A solda também pode ser usada para grafeno, que atualmente é unida por folhas de fixação.

p Os fios feitos de carbono são 10 vezes mais leves e até 30 vezes mais resistentes do que o cobre. Os fios de carbono são resistentes à corrosão e podem transportar uma corrente muito mais alta. Adicionalmente, as perdas na eficiência da transmissão com o aumento da temperatura são significativamente menores do que nos fios de cobre tradicionais.

p Embora o cobre seja reciclável e existam depósitos localizados em todo o mundo, estima-se que a demanda global por cobre superará a quantidade extraível do solo até o final deste século, devido em grande parte à crescente demanda por eletricidade.

p O principal obstáculo técnico que deve ser superado para tornar a fiação de carbono uma realidade prática é melhorar a condutividade. No momento, os fios de CNTs produzidos pelo laboratório do Dr. Koziol são menos condutores do que o cobre. Cada nanotubo individual tem apenas um milímetro de comprimento, e em cada junção em um fio longo, ocorrem perdas de condutividade.

p O Dr. Koziol e seus colaboradores estão trabalhando para atingir pelo menos níveis comparáveis ​​de condutividade ao cobre, a fim de acelerar o desenvolvimento comercial da fiação de carbono, melhorando o processo de formação para fazer nanotubos significativamente mais longos, e usando métodos químicos para permitir melhores conexões entre nanotubos individuais. A equipe também está trabalhando em novos métodos de transmissão de energia, onde a resistência da junção em fios CNT não é mais crítica.

p Enquanto isso, existem preparativos para um grande, projeto multiindustrial com início no final do ano que será uma importante etapa intermediária:um fio híbrido carbono-cobre em que o carbono é disperso por todo o cobre, tornando o cobre mais leve e forte, enquanto reduz ainda mais as perdas de transmissão.