Могут ли молекулярные изменения помочь алюминию удовлетворить спрос на медь?

Эта история была первоначально опубликована Wired и представлена ​​здесь в рамках сотрудничества Climate Desk.

Возьмем на минутку электрический провод — широко распространенную технологию, о которой очень легко забыть. Миллионы тонн тонких металлических нитей, намотанные внутри наших устройств, обернутые вокруг наших стен, протянутые по нашим улицам, электрифицируют мир. Но их работа безобидна и настолько натуралистична, что вообще не похожа на технологию. Провода перемещают электроны просто потому, что именно это делают металлы, когда к ним подается ток: они проводят ток.

Но всегда есть куда совершенствоваться. Металлы проводят электричество, потому что содержат свободные электроны, не привязанные к каким-либо конкретным атомам. Чем больше электронов текут и чем быстрее они движутся, тем лучше проводит металл. Таким образом, чтобы улучшить эту проводимость, имеющую решающее значение для сохранения энергии, производимой на электростанции или хранимой в батарее, ученые-материаловеды обычно ищут более совершенные атомные схемы. Их главная цель — чистота — удаление любых частиц инородного материала или дефектов, которые нарушают поток. Чем больше кусок золота является золотом, чем больше медный провод является медью, тем лучше он будет проводить ток. Все остальное только мешает.

«Если вам нужно что-то действительно высокопроводящее, вам просто нужно использовать чистоту», — говорит Кирти Каппагантула, ученый-материаловед из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории. Именно поэтому она считает свое собственное исследование довольно «шатким». Ее цель — сделать металлы более проводящими, сделав их менее чистыми. Она возьмет такой металл, как алюминий, и добавит в него такие добавки, как графен или углеродные нанотрубки, и получится сплав. Каппагантула обнаружил, что если сделать это правильно, дополнительный материал может иметь странный эффект: он может вывести металл за пределы его теоретического предела проводимости.

В данном случае цель состоит в том, чтобы создать алюминий, который сможет конкурировать с медью в электрических устройствах — металл, который проводит почти в два раза больше, но и стоит примерно в два раза дороже. У алюминия есть преимущества: он намного легче меди. А так как это самый распространенный металл в земной коре (в тысячу раз больше, чем меди), его также дешевле и легче добывать.

Медь, с другой стороны, становится все труднее добывать, поскольку мир переходит на более экологически чистую энергию. Несмотря на то, что он уже давно повсеместно используется в проводке и двигателях, спрос на него растет. В электромобиле используется примерно в четыре раза больше меди, чем в обычном автомобиле, и еще больше потребуется для электрических компонентов возобновляемых источников энергии и проводов, которые соединяют их с сетью. Аналитики Wood Mackenzie, исследовательской фирмы, специализирующейся на энергетике, подсчитали, что морские ветряные электростанции потребуют 5,5 мегатонн металла в течение 10 лет, в основном для массивной системы кабелей внутри генераторов и для доставки электронов, производимых турбинами, на берег. В последние годы цена на медь резко выросла, и аналитики прогнозируют растущий дефицит металла. Goldman Sachs недавно объявил ее «новой нефтью».

Некоторые компании уже заменяют его на алюминий там, где это возможно. В последние годы произошел многомиллиардный сдвиг в компонентах всего: от кондиционеров до автомобильных запчастей. В линиях электропередачи высокого напряжения уже используются алюминиевые провода, поскольку они дешевы и легки, что позволяет протягивать их на большие расстояния. Этот алюминий обычно находится в наиболее чистой и высокопроводящей форме.

Но в последнее время эта конверсия замедлилась – отчасти потому, что замена уже произведена для тех областей применения, где алюминий имеет наибольшее значение, говорит Джонатан Барнс, главный аналитик рынков меди в компании Wood Mackenzie. Для использования в более широком спектре электрических приложений основным ограничением является проводимость. Вот почему такие исследователи, как Каппагантула, пытаются модернизировать металл.

Инженеры обычно разрабатывают сплавы для улучшения других качеств металла, таких как прочность или гибкость. Но эти смеси менее проводящие, чем чистый материал. Даже если конкретная добавка особенно хороша в передаче электричества (как в случае с углеродистыми материалами, с которыми работает Каппагантула), электронам внутри сплава обычно трудно перепрыгивать из одного материала в другой. Интерфейсы между ними являются камнем преткновения.