Aligerar el peso es un objetivo común para los vehículos eléctricos, los drones y las naves espaciales. Las máquinas más livianas consumen menos energía, lo que ayuda a que sus baterías funcionen de manera más eficiente y les permite volar distancias más largas. El aligeramiento también va de la mano con la sostenibilidad, ya que un mejor rendimiento general conduce a menores emisiones de carbono. Los motores eléctricos están en el centro de este esfuerzo. Las bobinas del motor constituyen una gran parte del peso de un motor y la mayoría de las bobinas utilizan cobre. El cobre conduce bien la electricidad, pero también plantea algunos desafíos, como problemas de suministro de recursos, fluctuaciones de precios y aumento de peso debido a la alta densidad.
Un equipo dirigido por el Dr. Dae-Yoon Kim del Instituto de Materiales Compuestos del Instituto Coreano de Ciencia y Tecnología (KIST) ha desarrollado un motor eléctrico con bobinas hechas únicamente de nanotubos de carbono (CNT), sin ningún metal. En las pruebas, el equipo pudo controlar las revoluciones por minuto (RPM) del motor en función de los cambios en el voltaje de entrada. Esto demuestra que los motores eléctricos pueden realizar su función básica de convertir energía eléctrica en fuerza de rotación sin el uso de conductores metálicos.
Los nanotubos de carbono (CNT) son nanomateriales tubulares unidimensionales con átomos de carbono dispuestos en una estructura de panal hexagonal. Son mucho más ligeros que los metales comunes y tienen una alta conductividad eléctrica, una gran resistencia mecánica y una buena conductividad térmica. Aun así, los CNT todavía enfrentan muchos desafíos en las aplicaciones prácticas. Un problema importante son los restos de metal catalizador del proceso de fabricación. Estas partículas metálicas pueden afectar directamente los componentes del motor al adherirse a la superficie del CNT y reducir el rendimiento eléctrico.
El equipo de KIST desarrolló un nuevo proceso de purificación de nanotubos de carbono (CNT) que aprovecha el comportamiento de orientación de los cristales líquidos, el "cuarto estado de la materia" entre los estados líquido y sólido. A medida que los nanotubos de carbono se orientan, el proceso descompone naturalmente los grumos y ayuda a eliminar las partículas metálicas de la superficie. La clave es que puede eliminar impurezas de forma selectiva sin dañar la nanoestructura de los nanotubos de carbono. Esto lo diferencia de muchos métodos de purificación en fase líquida y gaseosa. Los nanotubos de carbono resultantes son lo suficientemente conductores como para funcionar en motores eléctricos reales.
Luego, los investigadores fabricaron bobinas a partir de nanotubos de carbono purificados y hicieron funcionar motores que mostraban un control de velocidad estable a diferentes voltajes. Si este enfoque puede ampliarse, las bobinas más ligeras podrían reducir el peso del motor y la masa general del sistema. También podría reducir la dependencia del cobre y reducir los riesgos de precios y suministro. Se necesitan investigaciones futuras para comparar el rendimiento de los diseños basados en cobre en términos de densidad de potencia, eficiencia, manejo térmico y costo en condiciones operativas reales.
El Dr. Kim Dae-yun, del Instituto Coreano de Ciencia y Tecnología, dijo: "Al desarrollar un nuevo concepto sin precedentes de tecnología CNT de alta calidad, podemos maximizar el rendimiento eléctrico de las bobinas CNT para impulsar motores libres de metal. Basándonos en la innovación de los materiales CNT, seremos los primeros en localizar materiales como materiales conductores de baterías, películas semiconductoras y cables de robots".
Fuente: KIST