(Phys.org) —Ultra-lätt, högpresterande elektriska ledningar, gjord av kol istället för koppar, har utvecklats i en användbar form för första gången.

Superstarka ledningar gjorda av kolnanorör, som avsevärt skulle kunna förbättra effektiviteten med vilken elförsörjningen över hela Storbritannien har utvecklats i användbar form för första gången.

Trådarna väger en tiondel av koppar, och, om det används i konventionella system, skulle också göra fordon mer bränslesnåla. Ledningarna, utvecklad av forskare vid University of Cambridge kan också kopplas ihop med konventionella metalltrådar, vilket hittills inte varit möjligt, höja utsikterna för hybridenerginät.

Kolnanorör (CNT) är extremt tunna, ihåliga cylindrar gjorda av kolatomer. De är bland de styvare och starkaste fibrer som är kända, men svårigheten att exakt kontrollera deras egenskaper har inneburit att deras praktiska tillämpningar har varit begränsade fram till nu.

Som grafen, CNT är starka, lätt och flexibel. Vinkeln, eller kiralitet, vid vilken arken av grafen rullas bestämmer egenskaperna hos nanorören:om de är metalliska, halvmetallisk, eller halvledare.

Nu, forskare vid University of Cambridge har uppnått en oöverträffad nivå av kontroll över egenskaperna hos CNT i stor skala, resulterar i nanorör som kan användas i elektriska system.

Kopparledningar används i elektriska system på grund av sin beprövade historia och utmärkta elektriska ledningsförmåga. Dock, i moderna system, Ledningsbrister blir mer uppenbara när funktionskraven ökar. Till exempel, en stor satellit, som väger 15 ton eller mer, får en tredjedel av sin vikt från kopparledningar. På samma sätt i kommersiella flygplan, en Boeing 747 använder så mycket som 135 miles koppartråd, som väger mer än två ton. Koppartrådar oxiderar och korroderar också, är känsliga för vibrationströtthet och skapar för tidiga elektronikfel på grund av överhettningsförhållanden.

Enligt ExxonMobils rapport från 2010 The Outlook for Energy, det kommer att ske en 80-procentig ökning av efterfrågan på el till 2040. Med ökad efterfrågan följer ökad risk för strömavbrott. För att möta efterfrågan, kraftleverantörer som National Grid kan antingen bygga fem gånger fler transmissionstorn, eller hitta ett material som kan transportera elektricitet mer effektivt än koppar.

"För att uppnå dessa elektriska egenskaper från kol, en extremt hög grad av kontroll över nanorören behövs, " säger Dr Krzysztof Koziol vid Institutionen för materialvetenskap och metallurgi.

Den katalytiska kontinuerliga syntesprocessen av CNT utvecklades ursprungligen av professor Alan Windle från samma institution. Den använder kemisk ångdeposition (CVD) för att snurra ut nanorören i långa trådar, en tiondel av ett människohårs bredd, från vad som liknar en högteknologisk candy floss maskin.

Spinningsprocessen har vidareutvecklats av professor Windle och Dr Koziol för elektriska applikationer, genom att uppnå mycket selektiv syntes, och producerar högrent material som uteslutande består av enkel-, dubbel- eller flerväggiga nanorör. Nyligen flyttades processen till nästa nivå, där mycket kontrollerade metalliska enkelväggiga CNT:er producerades med en mycket hög renhetsnivå. Medan de flesta CNTs odlas i "skogar" på ett substrat med användning av en katalysator, Cambridge-teamet odlar dem genom att injicera prekursormaterialen (vanligtvis metan) och katalysatorn i gasfasen i reaktorn.

Genom att kontrollera diametern på CNT, Cambridge-teamet kan indirekt kontrollera kiraliteten. Katalysatorpartiklarna i nanostorlek, i detta fall järn, fungera som en mall för att odla nanorören. Tillsatsen av svavel eller selektiva koltyper resulterar i ett moln av nanorörsfibrer med tillräcklig mekanisk integritet för att dras ut ur reaktorn i kontinuerliga strängar med en hastighet av ungefär 20 meter per minut.

När CNT-trådarna har dragits ut ur reaktorn, de vrids ihop för att bilda ultralätt, superstarka trådar en millimeter tjocka, som kan isoleras och användas som elektriska ledningar.

"Det är ganska enkelt för oss att göra en meterlång tråd gjord av kol och använda den i ett elektriskt system, " säger Dr Koziol. "Vi pratar inte längre om millimeterlånga, minutprov."

En meter tråd är en sak, men att införliva det i ett hus eller ett flygplan är en helt annan. En högeffektiv koltråd är till ingen praktisk användning om den inte kan anslutas till konventionella system. Medan metalltrådar kan anslutas till varandra genom lödning, kol kan inte kopplas till metall på detta sätt med vanligt tennbaserat lod.

Dr Koziols team har utvecklat en legering som kan löda koltrådar, antingen till varandra eller till metalltrådar, gör det möjligt att införliva koltrådar i metallbaserade system. Lödet kan också användas för grafen, som för närvarande är sammanfogad genom att klämma ihop ark.

Trådar gjorda av kol är 10 gånger lättare och upp till 30 gånger starkare än koppar. Koltrådarna är korrosionsbeständiga och kan bära en mycket högre ström. Dessutom, förlusterna i transmissionseffektivitet med ökande temperatur är betydligt mindre än i traditionella koppartrådar.

Även om koppar är återvinningsbart och det finns fyndigheter över hela världen, det uppskattas att den globala efterfrågan på koppar kommer att överstiga den mängd som kan utvinnas från marken i slutet av detta århundrade, till stor del beror på den ökande efterfrågan på el.

Det huvudsakliga tekniska hindret som måste övervinnas för att göra kolledningar till en praktisk verklighet är att förbättra konduktiviteten. Just nu, CNT-trådarna som produceras av Dr Koziols labb är mindre ledande än koppar. Varje enskilt nanorör är bara en millimeter långt, och vid varje korsning i en lång tråd, förluster i konduktivitet uppstår.

Dr Koziol och hans medarbetare arbetar för att uppnå åtminstone jämförbara nivåer av konduktivitet med koppar för att påskynda den kommersiella utvecklingen av kolledningar, genom att både förbättra bildningsprocessen för att göra betydligt längre nanorör, och genom att använda kemiska metoder för att möjliggöra bättre kopplingar mellan enskilda nanorör. Teamet arbetar också med nya metoder för kraftöverföring där korsningsmotståndet i CNT-ledningar inte längre är kritiskt.

Sålänge, det finns förberedelser för en stor, multiindustriellt projekt som startar i slutet av året vilket kommer att vara ett viktigt mellansteg:en hybrid kol-koppartråd i vilken kolet sprids genom kopparn, gör kopparn lättare och starkare, samtidigt som överföringsförlusterna minskar ytterligare.