Uutta nanomateriaalia sähkökoneeseen

LUT:ssa on kehitetty tiettävästi maailman ensimmäinen hiilinanojohtimia käämityksessään soveltava sähkömoottorin prototyyppi. Siinä käytetään moottorin perinteisen kuparikäämityksen sijaan hiilinanolankakäämitystä. Moottori on suunniteltu tämän hetken parhaiden hiilinanojohtimien testauskäyttöön LUT:n sähkötekniikan yksikössä.

Hiilinanolankasähkömoottorin teho on 40 wattia. Sen pyörimispyörimisnopeus on 15 000 kierrosta minuutissa ja hyötysuhde on lähes 70 prosenttia. Uudella teknologialla on mahdollisuuksia parantaa merkittävästi sähkömoottorien energiatehokkuutta ja suorituskykyä. Teknologia voi onnistuessaan mullistaa nykyteollisuuden pitkällä aikavälillä. Katso video aiheesta: http://youtu.be/fg_QZuVKWws

 

Tutkijat ympäri maailmaa ovat jo pitkään etsineet mahdollisuuksia parantaa sähkökoneiden ominaisuuksia. Tämän vuoksi muun muassa sähkökoneiden käämityksiin etsitään kuparia − ja ylipäätään metalleja − korvaavia materiaaleja. Parhaat hiilinanoputket johtavat sähköä merkittävästi kuparia paremmin, ja niistä kehruuprosessissa tuotetut hiilinanolangat voivat tulevaisuudessa johtaa sähköä esimerkiksi kaksinkertaisesti verrattuna kupariin.

"Jos pitäisimme sähkökoneiden mitoitusparametrit entisellään, niin niiden käämitysten lämpöhäviöt vähenisivät puoleen, jos kuparilangat olisivat korvattavissa hiilinanolangoilla. Lisäksi hiilinanolangat ovat kuparia ympäristöystävällisempiä ja kevyempiä. Täten kuparilankojen mahdollinen korvaaminen moottoreissa hiilinanolangoilla pienentäisi hiilidioksipäästöjä sekä koneiden tuotannon että käytön aikana. Samalla koneiden massa pienenisi ja niiden lämmönsieto kasvaisi merkittävästi", kertoo moottorin suunnittelua johtanut professori Juha Pyrhönen LUT:lta.

Hiilinanolangalla ei ole selvää johtavuuden ylärajaa

Sähkökoneiden käämitykset tehdään perinteisesti kuparista, jolla on metalleista toiseksi paras johtavuus. Hyvästä johtavuudesta huolimatta suuri osa sähkökoneiden häviöistä on niin kutsuttuja kuparihäviöitä eli kuparin tuottamasta lämpöenergiasta syntyvää hävikkiä. Hiilinanoputkista muodostuvan hiilinanolangan etuna on se, että sille ei ole olemassa selkeää johtavuuden ylärajaa.

Pyrhösen mukaan sähkökoneita on maailmassa niin paljon, etteivät ihmiset enää edes huomaa tai tule ajatelleeksi niitä. Jo yhdessä omakotitalossa voi olla kymmeniä moottoreita, esimerkiksi jääkaapissa, pesukoneessa, kodin viihde-elektroniikassa ja vaikka hiustenkuivaajassa.

"Teollisuudessa mittakaava on moninkertainen: puhutaan kymmenistä tuhansista moottoreista per tehdasyksikkö. Näiden kaikkien käämeissä on kuparilankaa, joten sen korvaaminen paremmalla ja tehokkaammalla materiaalilla, olisi iso mullistus", sanoo Pyrhönen.

Keksintö voi olla teollisuuden kannalta merkittävä

LUT:n rakentamassa prototyyppimoottorissa on käytetty yhdysvaltalaisen Rice Universityn ja japanilaisen Teijin Aramidin Hollannissa kehittämää hiilinanolankaa. Langan kehittämistyö on vielä aluillaan, mutta sitä LUT:lle toimittanut Teijin Aramidin bisneskehitysjohtaja Marcin Otto näkee hiilinanolangan kehityksessä suuria mahdollisuuksia, kuten Pyrhönenkin.

"Sähkökoneissa on huomattava kehittämispotentiaali, mutta olemme törmäämässä materiaalifysiikan rajoihin. Metalleilla ei ole kyetty saamaan parempia johtavuuksia kuin mitä meillä on tällä hetkellä. Suprajohtavuus ei näytä kehittyvän niin, että se voisi ratkaista sähkökoneiden häviöongelmia yleisesti. Hiili sen sijaan voi olla tässä avainasemassa: hiilikäämien käytännön johtavuus voisi olla parhaimmillaan jopa kolminkertainen kupariin nähden. Lisäksi hiiltä on raaka-aineena saatavilla rajattomasti. Kupari puolestaan on yhä vaikeammin saatava materiaali, ja sen kaivaminen on rasite ympäristölle."

Lisätietoja:

Juha Pyrhönen, puh. +358 40 571 1645, juha.pyrhonen@lut.fi