Các nhà khoa học phát minh động cơ điện hoàn toàn không dùng kim loại

Trong cuộc đua phát triển xe điện, máy bay không người lái và tàu vũ trụ, “giảm trọng lượng” luôn là mục tiêu then chốt. Trọng lượng nhẹ hơn sẽ tiêu hao ít năng lượng, giúp pin vận hành hiệu quả và di chuyển xa hơn. Quan trọng, hiệu suất tốt hơn cũng đồng nghĩa với việc giảm phát thải carbon.

Động cơ điện chính là trung tâm của nỗ lực này. Phần cuộn dây chiếm tỉ trọng lớn trong tổng khối lượng động cơ, và hầu hết đều sử dụng đồng. Đồng dẫn điện tốt, nhưng lại kéo theo hàng loạt vấn đề: nguồn cung hạn chế, giá cả biến động mạnh, và đặc biệt là khối lượng lớn do mật độ nguyên tử cao.

Một nhóm nghiên cứu do Tiến sĩ Dae-Yoon Kim tại Viện Nghiên cứu Vật liệu Composite (KIST – Viện Khoa học và Công nghệ Hàn Quốc) dẫn đầu vừa chế tạo thành công loại động cơ điện dùng cuộn dây làm hoàn toàn từ ống nano carbon (CNTs), không chứa kim loại. Trong thử nghiệm, nhóm đã điều chỉnh được số vòng quay mỗi phút (RPM) của động cơ theo mức điện áp đầu vào, chứng minh rằng động cơ có thể thực hiện đúng chức năng cơ bản – biến điện năng thành lực quay – mà không cần chất dẫn kim loại.

CNTs – vật liệu nano mở ra kỷ nguyên mới

Ống nano carbon (CNTs) là vật liệu một chiều, có cấu trúc hình ống, trong đó các nguyên tử carbon sắp xếp theo mạng lưới tổ ong. CNTs nhẹ hơn nhiều so với kim loại thông thường, đồng thời có độ dẫn điện cao, độ bền cơ học vượt trội và khả năng dẫn nhiệt tốt. Tuy nhiên, việc ứng dụng CNTs thực tế từng gặp trở ngại lớn: các hạt kim loại xúc tác còn sót lại trong quá trình sản xuất thường bám vào bề mặt CNTs, làm giảm hiệu suất dẫn điện, ảnh hưởng trực tiếp tới các linh kiện động cơ.

Để giải quyết, nhóm KIST đã phát triển quy trình tinh chế CNTs mới dựa trên hiện tượng “căn chỉnh” của tinh thể lỏng – trạng thái vật chất đặc biệt nằm giữa lỏng và rắn. Khi CNTs được căn chỉnh, các cụm hạt tự nhiên bị phá vỡ và tạp chất kim loại bị loại bỏ khỏi bề mặt, mà không làm hỏng cấu trúc nano. Đây là lợi thế vượt trội so với nhiều phương pháp tinh chế ở pha lỏng hoặc khí hiện nay. Nhờ đó, CNTs sau tinh chế đạt độ dẫn điện cao hơn rõ rệt, đủ để ứng dụng vào cuộn dây động cơ.

Tương lai của động cơ không kim loại

Sau quá trình tinh chế, nhóm đã tạo cuộn dây từ CNTs và thử nghiệm trong động cơ. Kết quả cho thấy động cơ vận hành ổn định, điều chỉnh RPM linh hoạt theo điện áp. Nếu công nghệ này được mở rộng quy mô, cuộn dây nhẹ hơn sẽ giúp giảm trọng lượng động cơ và cả hệ thống. Đồng thời cũng có thể giảm phụ thuộc vào đồng, hạn chế rủi ro về giá cả và nguồn cung.

Trong tương lai, nghiên cứu sẽ cần so sánh chi tiết hơn về mật độ công suất, hiệu suất, khả năng tản nhiệt và chi phí so với thiết kế dựa trên đồng trong điều kiện thực tế.

“Bằng việc phát triển công nghệ CNT tinh khiết chất lượng cao – chưa từng tồn tại trước đây – chúng tôi đã tối đa hóa hiệu suất điện của cuộn dây CNT, cho phép động cơ điện hoạt động mà không cần kim loại ,” Tiến sĩ Dae-Yoon Kim cho biết. “ Dựa trên đột phá này, chúng tôi sẽ mở rộng sang nhiều lĩnh vực, từ vật liệu dẫn điện cho pin, tấm che bán dẫn, cho đến cáp robot.”