(Phys.org) —Ultra-léger, câblage électrique haute performance, fait de carbone au lieu de cuivre, a été développé sous une forme utilisable pour la première fois.

Fils super résistants fabriqués à partir de nanotubes de carbone, qui pourraient améliorer considérablement l'efficacité avec laquelle l'électricité est fournie à travers le Royaume-Uni ont été développés sous une forme utilisable pour la première fois.

Les fils font un dixième du poids du cuivre, et, s'il est utilisé dans des systèmes conventionnels, rendrait également les véhicules plus économes en carburant. Les fils, développé par des chercheurs de l'Université de Cambridge peut également être associé à des fils métalliques conventionnels, ce qui n'était pas possible jusqu'à présent, élevant la perspective des réseaux d'énergie hybrides.

Les nanotubes de carbone (CNT) sont extrêmement fins, cylindres creux faits d'atomes de carbone. Elles font partie des fibres les plus rigides et les plus résistantes connues, mais la difficulté de contrôler précisément leurs propriétés a fait que leurs applications pratiques ont été limitées jusqu'à présent.

Comme le graphène, Les NTC sont forts, léger et souple. L'angle, ou chiralité, auquel les feuilles de graphène sont laminées détermine les propriétés des nanotubes :s'ils sont métalliques, semi-métallique, ou semi-conducteurs.

Maintenant, des chercheurs de l'Université de Cambridge ont atteint un niveau de contrôle sans précédent sur les propriétés des NTC à grande échelle, résultant en des nanotubes qui peuvent être utilisés dans les systèmes électriques.

Le câblage en cuivre est utilisé dans les systèmes électriques en raison de son histoire éprouvée et de son excellente conductivité électrique. Cependant, dans les systèmes modernes, les défauts de câblage deviennent de plus en plus apparents à mesure que les exigences fonctionnelles augmentent. Par exemple, un gros satellite, pesant 15 tonnes ou plus, tire un tiers de son poids du câblage en cuivre. De même dans les avions commerciaux, un Boeing 747 utilise jusqu'à 135 miles de fil de cuivre, pesant plus de deux tonnes. Les fils de cuivre s'oxydent et se corrodent également, sont sensibles à la fatigue due aux vibrations et créent des défaillances électroniques prématurées dues à des conditions de surchauffe.

Selon le rapport 2010 d'ExxonMobil, The Outlook for Energy, il y aura une augmentation de 80 % de la demande d'électricité d'ici 2040. L'augmentation de la demande s'accompagne d'un risque accru de pannes d'électricité. Pour répondre à la demande, les fournisseurs d'électricité tels que National Grid peuvent soit construire cinq fois plus de tours de transmission, ou trouver un matériau qui peut transporter l'électricité plus efficacement que le cuivre.

"Afin d'obtenir ces propriétés électriques à partir du carbone, un degré de contrôle extrêmement élevé sur les nanotubes est nécessaire, " déclare le Dr Krzysztof Koziol du Département des sciences des matériaux et de la métallurgie.

Le procédé de synthèse catalytique en continu des NTC a été développé à l'origine par le professeur Alan Windle du même département. Il utilise le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) pour filer les nanotubes en longs fils, un dixième de la largeur d'un cheveu humain, de ce qui ressemble à une machine à barbe à papa de haute technologie.

Le processus de filage a été développé par le professeur Windle et le Dr Koziol pour les applications électriques, en réalisant une synthèse très sélective, et la production d'un matériau de haute pureté composé exclusivement d'un seul, nanotubes à double ou multi-parois. Récemment, le processus a été poussé au niveau supérieur, où des NTC métalliques à paroi simple hautement contrôlés ont été produits avec un très haut niveau de pureté. Alors que la plupart des NTC sont cultivés dans des « forêts » sur un substrat avec l'utilisation d'un catalyseur, l'équipe de Cambridge les cultive en injectant les matériaux précurseurs (généralement du méthane) et le catalyseur en phase gazeuse dans le réacteur.

En contrôlant le diamètre des NTC, l'équipe de Cambridge peut contrôler indirectement la chiralité. Les particules de catalyseur de taille nanométrique, dans ce cas le fer, servir de modèle pour la croissance des nanotubes. L'ajout de soufre ou d'espèces de carbone sélectives produit un nuage de fibres de nanotubes avec une intégrité mécanique suffisante pour être extrait du réacteur en brins continus à une vitesse d'environ 20 mètres par minute.

Une fois les fils CNT retirés du réacteur, ils sont torsadés ensemble pour former ultra-léger, fils super résistants d'un millimètre d'épaisseur, qui peut être isolé et utilisé comme câblage électrique.

"Il est assez simple pour nous de fabriquer un fil de carbone d'un mètre de long et de l'utiliser dans un système électrique, " dit le Dr Koziol. " On ne parle plus de millimètre de long, échantillons infimes."

Un mètre de fil est une chose, mais l'intégrer dans une maison ou un avion en est une autre. Un fil de carbone hautement efficace n'est d'aucune utilité pratique s'il ne peut pas être connecté à des systèmes conventionnels. Alors que les fils métalliques peuvent être connectés les uns aux autres par soudure, le carbone ne peut pas être connecté au métal de cette manière en utilisant de la soudure à base d'étain ordinaire.

L'équipe du Dr Koziol a développé un alliage capable de souder des fils de carbone, soit entre eux, soit avec des fils métalliques, permettant d'incorporer des fils de carbone dans des systèmes à base de métal. La soudure pourrait également être utilisée pour le graphène, qui est actuellement joint en serrant les feuilles ensemble.

Les fils en carbone sont 10 fois plus légers et jusqu'à 30 fois plus résistants que le cuivre. Les fils de carbone sont résistants à la corrosion et peuvent transporter un courant beaucoup plus élevé. En outre, les pertes d'efficacité de transmission avec l'augmentation de la température sont nettement inférieures à celles des fils de cuivre traditionnels.

Bien que le cuivre soit recyclable et qu'il existe des gisements partout dans le monde, on estime que la demande mondiale de cuivre dépassera la quantité extractible du sol d'ici la fin de ce siècle, en grande partie à cause de la demande croissante d'électricité.

Le principal obstacle technique à surmonter pour faire du câblage carbone une réalité pratique est l'amélioration de la conductivité. À l'heure actuelle, les fils CNT produits par le laboratoire du Dr Koziol sont moins conducteurs que le cuivre. Chaque nanotube ne mesure qu'un millimètre de long, et à chaque jonction d'un long fil, des pertes de conductivité se produisent.

Le Dr Koziol et ses collaborateurs s'efforcent d'atteindre des niveaux de conductivité au moins comparables au cuivre afin d'accélérer le développement commercial du câblage carbone, à la fois en améliorant le processus de formation pour fabriquer des nanotubes nettement plus longs, et en utilisant des méthodes chimiques pour permettre de meilleures connexions entre les nanotubes individuels. L'équipe travaille également sur de nouvelles méthodes de transmission d'énergie où la résistance de jonction dans les fils CNT n'est plus critique.

En attendant, il y a des préparatifs pour un grand, projet multi-industriel à démarrer en fin d'année qui sera une étape intermédiaire importante :un fil hybride carbone-cuivre dans lequel le carbone est dispersé dans tout le cuivre, rendre le cuivre plus léger et plus fort, tout en réduisant encore les pertes de transmission.