Forskare vid Chalmers tekniska universitet har upptäckt att isoleringsplasten som används i högspänningskablar tål en 26 procent högre spänning om nanometerstora kolbollar läggs till. Detta kan resultera i enorma effektivitetsvinster i framtidens elnät, som behövs för att uppnå ett hållbart energisystem.

Morgondagens förnybara energikällor kommer ofta att finnas långt borta från slutanvändaren. Vindturbiner, till exempel, är mest effektiva när de placeras ute till havs. Solenergi kommer att ha störst påverkan på det europeiska energisystemet om fokus ligger på transport av solenergi från Nordafrika och Sydeuropa till Nordeuropa.

"Att minska energiförlusterna vid elkraftöverföring är en av de viktigaste faktorerna för framtidens energisystem, ", säger Chalmersforskaren Christian Müller. "De andra två är utveckling av förnybara energikällor och teknologier för energilagring."

Tillsammans med kollegor från Chalmers tekniska högskola och företaget Borealis i Sverige, han har hittat en kraftfull metod för att minska energiförlusterna i växelströmskablar. Resultaten publicerades nyligen i Avancerade material .

Forskarna har visat att olika varianter av C60 kolbollen, ett nanomaterial i fullerenmolekylgruppen, ge starkt skydd mot sönderfall av isoleringsplasten som används i högspänningskablar. Idag måste spänningen i kablarna begränsas för att förhindra att isoleringsskiktet skadas. Ju högre spänning desto fler elektroner kan läcka ut i isoleringsmaterialet, en process som leder till sammanbrott.

Det räcker med att tillsätta mycket små mängder fulleren till isoleringsplasten för att den ska klara en spänning som är 26 procent högre, utan att materialet går sönder, än den spänning som plast utan tillsats tål.

"Att kunna öka spänningen i denna utsträckning skulle resultera i enorma effektivitetsvinster i kraftöverföring över hela världen, " säger Christian Müller. "En stor fråga i branschen är hur överföringseffektiviteten kan förbättras utan att göra strömkablarna tjockare, eftersom de redan är väldigt tunga och svåra att hantera."

Att använda tillsatser för att skydda isoleringsplasten har varit ett känt koncept sedan 1970 -talet, men hittills har det varit okänt exakt vad och hur mycket man ska lägga till. Följaktligen, tillsatser används för närvarande inte alls för ändamålet, och isoleringsmaterialet är tillverkat med högsta möjliga grad av kemisk renhet.

På senare år har andra forskare har experimenterat med fullerener i de elektriskt ledande delarna av högspänningskablar. Tills nu, fastän, det har varit okänt att ämnet kan vara till nytta för isoleringsmaterialet.

Chalmersforskarna har nu visat att fullerener är de bästa spänningsstabilisatorerna som identifierats för isoleringsplast hittills. Det betyder att de har en hittills oöverträffad förmåga att fånga elektroner och därmed skydda andra molekyler från att förstöras av elektronerna.

För att komma fram till dessa fynd, forskarna testade ett antal molekyler som även används inom organisk solcellsforskning på Chalmers. Molekylerna testades med flera olika metoder, och lades till bitar av isoleringsplast som används för högspänningskablar. Plastbitarna utsattes sedan för ett ökande elektriskt fält tills de sprakade. Fullerener visade sig vara den typ av tillsats som mest effektivt skyddar isoleringsplasten.

Nästa steg innebär att testa metoden i stor skala i kompletta högspänningskablar för växelström. Forskarna ska även testa metoden i högspänningskablar för likström, eftersom likström är mer effektiv än växelström för kraftöverföring över mycket långa avstånd.