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Nanotube-Kabel erreichen einen Meilenstein: So gut wie Kupfer
Zum ersten Mal haben Forscher elektrische Kohlenstoff-Nanoröhren-Kabel hergestellt, die so viel Strom führen können wie Kupferdrähte. Diese Nanoröhrenkabel könnten dazu beitragen, mehr erneuerbare Energie im Stromnetz weiterzuleiten, leichte Verkabelung für kraftstoffeffizientere Fahrzeuge und Flugzeuge bereitzustellen und Verbindungen in Computerchips mit geringem Stromverbrauch herzustellen. Forscher der Rice University haben nun Carbon-Nanotube-Kabel in einem praktischen System demonstriert und konzipieren eine Fertigungslinie für die kommerzielle Produktion.
Nanotech glänzt: Der Forscher der Rice University, Yao Zhao, demonstriert einen Aufbau, bei dem ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Kabel verwendet wird, um normalen elektrischen Strom zu einer fluoreszierenden Glühbirne zu übertragen.
Seit den 1980er Jahren ist es ein Ziel von Nanotechnologen, leichte, effiziente Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Verdrahtungen so leitfähig zu machen wie Kupfer. Einzelne Kohlenstoffnanoröhren – hohle nanoskalige Röhren aus reinem Kohlenstoff – sind mechanisch stark und um eine Größenordnung leitfähiger als Kupfer. Aber wenn Kohlenstoff-Nanoröhrchen nicht einfach so zusammengesetzt werden, haben größere Strukturen daraus nicht die überragenden Eigenschaften der einzelnen Röhren.
Jahrelanges Tüfteln im Labor, um die richtigen Montagetechniken und Zutaten zu finden, haben es Forschern unter der Leitung von Rice-Professoren für Materialwissenschaften ermöglicht Pulickel Ajayan und Enrique Barrera endlich Carbon-Nanotube-Kabel so gut wie Kupferkabel herzustellen. Die Nanokabel des Konzerns weisen eine bisher beispiellose Kombination von Eigenschaften auf. Sie sind mechanisch stark und dennoch flexibel genug, um zu langen Drahtlängen verknotet oder verwoben zu werden. Sie führen etwa 100.000 Ampere Strom pro Quadratzentimeter Material, etwa so viel wie Kupferdrähte, wiegen aber ein Sechstel so viel. Sie übertreffen Kupfer bei einer Kennzahl namens Stromdichte, was bedeutet, dass sie in der Lage sein sollten, mehr Strom über längere Distanzen zu transportieren, ohne Energie durch Wärme zu verlieren – ein Problem mit dem heutigen Stromnetz und mit Computerchips. Und weil sie aus Carbon und nicht aus Metall bestehen, korrodieren sie nicht.
Kohlenstoffnanoröhren variieren in ihrer Leitfähigkeit, Länge und Anzahl der Schichten. Die Rice-Gruppe stellte fest, dass relativ lange, doppelwandige Nanoröhren am besten funktionierten, die von Mitarbeitern der Tsinghua-Universität in Peking bereitgestellt wurden. Elektronen bewegen sich sehr schnell durch einzelne Nanoröhren, aber der Strom verlangsamt sich, wenn die Elektronen von Nanoröhre zu Nanoröhre springen müssen. Je länger die Nanoröhren, desto weniger Sprünge müssen die Elektronen in einer bestimmten Drahtlänge machen.
Der Herstellungsprozess von Nanokabeln beginnt mit einem Klumpen doppelwandiger Nanoröhrchen, die behandelt wurden, um Verunreinigungen zu entfernen. Die Forscher fügen den Nanoröhren Schwefelsäure hinzu, damit sie sie zu einem dünnen Film verteilen können. Dann greifen sie mit einer Pinzette den Rand der Folie, um eine Faser herzustellen, und ziehen mit konstanter Kraft, um ein langes Kabel zu erhalten – ähnlich wie Wollgarn durch Ziehen und Verdrehen von Vlies hergestellt wird. Sie spülen die Säure aus dem Kabel und setzen es Joddämpfen bei hohen Temperaturen aus. Das Jod dringt in die Nanoröhren innerhalb des Kabels ein und erhöht die Leitfähigkeit des Kabels, ohne seine mechanischen Eigenschaften zu beeinträchtigen. Und die Rice-Gruppe hat gezeigt, dass die Leitfähigkeit nicht beeinträchtigt wird, wenn die Kabel zu größeren Längen verknotet werden.
Um zu demonstrieren, dass so hergestellte Kabel eine normale Netzspannung übertragen können, schlossen sie damit eine Leuchtstofflampe an eine Wandsteckdose an und ließen das Licht tagelang brennen. Diese Arbeit ist online in der Zeitschrift beschrieben Naturwissenschaftliche Berichte .
Nanokabel: Dieses Kabel aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen kann so viel elektrischen Strom führen wie ein Kupferdraht.
Es ist ein Beweis dafür, wie ausgereift diese Materialien werden, dass sie in der Lage sind, Leitfähigkeiten zu messen, die heute herkömmliche Metalle übersteigen, sagt Michael Seltsam , ein Professor für Chemieingenieurwesen am MIT, der nicht an der Arbeit beteiligt war. Metalle zu übertreffen, sei ein Meilenstein.
Dies ist sehr aufregend, insbesondere angesichts der enormen Bedeutung, das Gewicht von [elektrischen] Kabeln in Flugzeugen und Autos zu verringern, um die Kraftstoffeffizienz zu verbessern, sagt Ray Baughman , Direktor des NanoTech Institute und Professor für Chemie an der University of Texas in Dallas. Baughman war an der Arbeit nicht beteiligt.
Der Luft- und Raumfahrtriese Boeing gehört zu den Unternehmen, die die Rice-Gruppe unterstützen. Andere Mitarbeiter und Unterstützer sind Chevron, das US-Energieministerium und NanoRidge-Materialien von Houston.
Das Ziel ist es, ein technisches Produkt herzustellen, sagt Barrera von Rice. Wir glauben, dass wir in der Lage waren, auf kontinuierliche Produktionsmethoden skalierbar zu sein. Die Gruppe hat ausgearbeitet, wie dies auf einer Produktionslinie erfolgen würde, und prüft derzeit die Kommerzialisierung mit verschiedenen Unternehmen, obwohl sie keine Geschäfte bekannt gegeben haben.
Obwohl die Kabel jetzt gut genug sind, um ernsthaft über kommerzielle Anwendungen nachzudenken, möchte Ajayan sie noch besser machen. Ajayan merkt an, dass sie bisher nur die Wechselstromfähigkeit der doppelwandigen Kabel getestet haben. Strom wird in Form von Wechselstrom über weite Strecken übertragen. Ein separates Ziel, sagt Ajayan, ist es, die Kabel noch leitfähiger als Kupfer zu machen. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, besteht darin, bearbeitbare Kabel aus einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen herzustellen, die von Natur aus leitfähiger sind, sich jedoch nur schwer zu Fasern verspinnen lassen.