Βασικές πληροφορίες για το πρόγραμμα Σκεφτείτε για λίγο το ηλεκτρικό καλώδιο. Μια τεχνολογία που βρίσκεται παντού γύρω μας, μέσα στις συσκευές, στους τοίχους, στα αυτοκίνητα. Εκατομμύρια τόνοι λεπτών μεταλλικών νημάτων μέσα στα οποία κινούνται ηλεκτρόνια απλώς και μόνο επειδή αυτό κάνουν τα μέταλλα: είναι καλοί αγωγοί του ηλεκτρικού ρεύματος. Φυσικά πάντα υπάρχει περιθώριο βελτίωσης.
Τα μέταλλα φέρουν ηλεκτρισμό επειδή περιέχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια που δεν είναι συνδεδεμένα με κανένα συγκεκριμένο άτομο. Όσο περισσότερα ηλεκτρόνια ρέουν, και όσο πιο γρήγορα κινούνται, τόσο καλύτερος αγωγός είναι ένα μέταλλο. Για να βελτιωθεί η αγωγιμότητα - κρίσιμη για τη διατήρηση της ενέργειας που παράγεται σε ένα εργοστάσιο ηλεκτροπαραγωγής ή αποθηκεύεται σε μια μπαταρία - οι ερευνητές που ασχολούνται με την επιστήμη των υλικών συνήθως αναζητούν πιο «τέλεια» ατομικά πλέγματα.
Ο κύριος στόχος τους είναι η καθαρότητα του μετάλλου-αγωγού, να αφαιρέσουν δηλαδή οποιαδήποτε πρόσμιξη μπορεί να επηρρεάζει τη ροή του ρεύματος. Όσο περισσότερο ένα κομμάτι χρυσού είναι χρυσός, όσο περισσότερο είναι χάλκινο σύρμα είναι χαλκός, τόσο καλύτερη αγωγιμότητα θα έχει. Οποιαδήποτε ακαθαρσία δημιουργεί προβλήματα.
«Αν θέλετε κάτι πολύ αγώγιμο, τότε πρέπει απλώς να εξασφαλίσετε την απουσία ακαθαρσιών», λέει η Keerti Kappagantula, ερευνήτριας στο Pacific Northwest National Lab (PNNL). Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο θεωρεί τη δική της έρευνα μάλλον «ανατρεπτική».
Αντίθετα με την βασική κατεύθυνση της επιστήμης, στόχος της έρευνας στο PNNL είναι να γίνουν τα μέταλλα πιο αγώγιμα καθιστώντας τα λιγότερο καθαρά. Δηλαδή θα πάρει ένα μέταλλο όπως, για παράδειγμα, το αλουμίνιο και θα χρησιμοποιήσει πρόσθετα όπως το γραφένιο ή ο άνθρακας, παράγοντας ένα κράμα. Η Kappagantula ανακάλυψε ότι αυτές οι προσθήκες έχουν ένα αναπάντεχο αποτέλεσμα: μπορούν να ωθήσουν το μέταλλο πέρα από το θεωρητικό όριο αγωγιμότητάς του.
Η έρευνα της ομάδας του PNNL εστιάζει στο να δημιουργηθεί ένα ιδιότυπο κράμα αλουμινίου με ιδιότητες που μπορούν να ανταγωνιστούν εκείνες του χαλκού στις ηλεκτρικές συσκευές - ένα μέταλλο που είναι σχεδόν δύο φορές πιο αγώγιμο, αλλά και κοστίζει περίπου το διπλάσιο.
Το αλουμίνιο έχει πλεονεκτήματα: είναι πολύ ελαφρύτερο από τον χαλκό και ως το πιο άφθονο μέταλλο στον φλοιό της Γης - χίλιες φορές περισσότερο από τον χαλκό - είναι επίσης φθηνότερο και πιο εύκολο να εξορυχθεί.
Ο χαλκός, από την άλλη πλευρά, γίνεται όλο και πιο δύσκολο να υπάρχει διαρκώς διαθέσιμος καθώς ο κόσμος μεταβαίνει σε πιο πράσινη ενέργεια. Αν και ο χαλκός είναι από καιρό πανταχού παρών σε καλωδιώσεις και κινητήρες, η ζήτηση συνεχώς αυξάνεται. Ένα ηλεκτρικό όχημα χρησιμοποιεί περίπου τέσσερις φορές περισσότερο χαλκό από ένα συμβατικό αυτοκίνητο, και ακόμη μεγαλύτερες ποσότητες χαλκού θα απαιτηθούν για τα ηλεκτρικά εξαρτήματα των σταθμών παραγωγής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές και για τα καλώδια που τα συνδέουν με το δίκτυο.
Οι αναλυτές της Wood Mackenzie, μιας εταιρείας συμβούλων και έρευνας που εστιάζει στην ενέργεια, υπολόγισαν ότι τα υπεράκτια αιολικά πάρκα θα απαιτήσουν 5,5 μεγατόνους χαλκού σε 10 χρόνια, κυρίως για το τεράστιο σύστημα καλωδίων εντός των γεννητριών και για τη μεταφορά της ηλεκτρικής ενέργειας στην ακτή. Τα τελευταία χρόνια, η τιμή του χαλκού έχει εκτοξευτεί και οι αναλυτές προβλέπουν αυξανόμενη έλλειψη του μετάλλου. Η Goldman Sachs πρόσφατα ανακήρυξε το χαλκό ως «το νέο πετρέλαιο».
Ορισμένες εταιρείες αντικαθιστούν ήδη τον χαλκό με αλουμίνιο σε όποιες εφαρμογές μπορούν. Τα τελευταία χρόνια, έχουν γίνει αλλαγές πολλών δισεκατομμυρίων δολαρίων στα μέταλλα που χρησιμοποιούνται στα εξαρτήματα όλων των συσκευών, από τα κλιματιστικά μέχρι τα ανταλλακτικά αυτοκινήτων. Οι γραμμές ηλεκτρικού ρεύματος υψηλής τάσης χρησιμοποιούν ήδη καλώδια αλουμινίου, επειδή είναι και φθηνά και ελαφριά, γεγονός που τους επιτρέπει να αρθρώνονται σε μεγαλύτερες αποστάσεις. Το αλουμίνιο που χρησιμοποιείται εκεί είναι συνήθως στην πιο καθαρή και εξαιρετικά αγώγιμη μορφή του.
Ωστόσο, πρόσφατα, η αντικατάσταση του χαλκού με αλουμίνιο στις διάφορες εφαρμογές έχει περιορισθεί - εν μέρει επειδή σχεδόν όλες οι αντικαταστάσεις σε εφαρμογές που το αλουμίνιο έχει πλεονεκτήματα έχουν ήδη γίνει, λέει ο Jonathan Barnes, κύριος αναλυτής των αγορών χαλκού στη Wood Mackenzie. Για χρήση σε ένα ευρύτερο φάσμα ηλεκτρικών εφαρμογών, η αγωγιμότητα είναι ο κύριος περιοριστικός παράγοντας. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο ερευνητές όπως η Kappagantula προσπαθούν να ανασχεδιάσουν το μέταλλο.
Οι μηχανικοί συνήθως σχεδιάζουν κράματα για να βελτιώσουν ιδιότητες ενός μετάλλου, όπως η αντοχή ή η ευκαμψία. Αλλά τα κράματα στα οποία αναφερόμαστε είναι λιγότερο αγώγιμα από τα καθαρά υλικά. Ακόμα κι αν ένα συγκεκριμένο πρόσθετο είναι ιδιαίτερα καλό στη μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας (κάτι που συμβαίνει με τα υλικά με βάση τον άνθρακα με τα οποία ασχολείται η Kappagantula), τα ηλεκτρόνια μέσα στο κράμα συνήθως έχουν δυσκολία να μεταφερθούν από το ένα υλικό στο άλλο συνήθως στα σημεία των διεπαφών. Είναι δυνατός ο σχεδιασμός διεπαφών όπου αυτό δεν συμβαίνει, αλλά αυτό πρέπει να γίνει με προσοχή.
Το μεταλλικό αλουμίνιο παράγεται για περισσότερο από έναν αιώνα χρησιμοποιώντας διαδικασίες που ελάχιστα έχουν αλλάξει: η μέθοδος Bayer για τη λήψη οξειδίου του αλουμινίου (αλούμινας) από τον βωξίτη (το ιζηματογενές πέτρωμα στον οποίο βρίσκεται κυρίως το στοιχείο), ακολουθούμενη από τη διαδικασία Hall-Héroult οπότε και παράγεται μεταλλικό αλουμίνιο. Αυτή η δεύτερη διαδικασία περιλαμβάνει τη θέρμανση του μετάλλου σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες - μια διαδικασία όχι και τόσο φιλική προς το περιβάλλον αφού χρειάζεται περίπου τέσσερις φορές περισσότερη ενέργεια για να παραχθεί αλουμίνιο από ό,τι χρειάζεται για να παραχθεί χαλκός. Και σε αυτές τις υψηλές θερμοκρασίες, προκύπτουν προβλήματα για την κατασκευή κραμάτων με τις κατάλληλες ιδιότητες.
Για παράδειγμα, σε αυτές τις θερμοκρασίες ένα κραματικό στοιχείο όπως ο άνθρακας θα χάσει την προσεκτικά σχεδιασμένη δομή του και θα κατανεμηθεί άνισα στο μέταλλο. Τα μόρια των δύο ουσιών ευθυγραμμίζονται εκ νέου και σχηματίζουν ένα σκληρό και εύθραυστο υλικό που λειτουργεί ως μονωτής οπότε δεν επιτυγχάνεται ροή ηλεκτρικού ρεύματος.
Για να ξεπεράσουν αυτά τα εμπόδια, οι ερευνητές του PNNL στράφηκαν σε μια διαδικασία που πραγματοποιείται σε στερεά κατάσταση, η οποία χρησιμοποιεί έναν συνδυασμό δυνάμεων διάτμησης και τριβής σε χαμηλότερες θερμοκρασίες για να δημιουργήσει ένα στρώμα άνθρακα πάνω στον αλουμίνιο. Το κλειδί είναι η όλη διαδικασία να πραγματοποιηθεί σε μια θερμοκρασία που είναι αρκετά υψηλή ώστε το αλουμίνιο να γίνει εύκαμπτο - σε μια λεγόμενη "πλαστική" κατάσταση - αλλά όχι τηγμένο. Αυτό επιτρέπει στους ερευνητές να ελέγχουν προσεκτικά την κατανομή του άνθρακα, την οποία στη συνέχεια επαληθεύουν με προσομοιώσεις σε υπολογιστή που μοντελοποιούν τις ατομικές δομές των νέων κραμάτων.
Προφανώς, χρειάζεται ακόμη πολλή έρευνα και δοκιμές για να υλοποιηθούν κράματα εκτός της εργαστηριακής κλίμακας. Το πρώτο βήμα της ομάδας ήταν να παράγει σύρματα από τα νέα κράματα πρώτα μήκους λίγων ιντσών και μετά λίγων μέτρων. Στη συνέχεια θα δημιουργήσουν ράβδους και φύλλα που μπορούν να υποβληθούν σε μια σειρά δοκιμών για να αποδειχθεί ότι δεν είναι απλώς πιο αγώγιμα, αλλά και αρκετά ισχυρά και εύκαμπτα ώστε να είναι χρήσιμα για βιομηχανικούς σκοπούς.
Εάν αυτές οι δοκιμές είναι επιτυχείς, οι ερευνητές θα συνεργαστούν με μεταλλουργίες για να παράγουν μεγαλύτερους όγκους του κράματος. Αλλά για την Kappagantula, η επανεφεύρεση της βασικής μεθόδου παραγωγής αλουμινίου που εφαρμόζεται εδώ και δύο αιώνες είναι μια εξαιρετική πρόκληση που αξίζει τον κόπο. «Χρειαζόμαστε πολύ χαλκό και γρήγορα θα έχουμε ελλείψεις», λέει. «Αυτή η έρευνα μας αποδεικνύει ότι βρισκόμαστε στον αληθινά σωστό δρόμο».
Με πληροφορίες από www.wired.com
