Ο ρόλος των αγωγών ρεύματος στα ηλεκτρικά οχήματα
Η Νορβηγία διαθέτει μεγάλο αριθμό ηλεκτρικών οχημάτων, τα οποία περιλαμβάνουν πολλούς ηλεκτρικούς αγωγούς. Αυτοί οι αγωγοί συμβάλλουν σημαντικά στο συνολικό βάρος των οχημάτων.
“Ιστορικά, οι ηλεκτρικοί αγωγοί κατασκευάζονται από χαλκό, καθώς αυτό το μέταλλο διαθέτει εξαιρετική ηλεκτρική αγωγιμότητα, ευκολία διαμόρφωσης και υψηλή μηχανική αντοχή”, εξηγεί ο Jørgen A. Sørhaug, υποψήφιος διδάκτορας στο NTNU.
Ο χαλκός είναι ένα ιδανικό υλικό για ηλεκτρικούς αγωγούς, όμως έχει ένα σημαντικό μειονέκτημα: είναι αρκετά βαρύς, καθώς διαθέτει υψηλή πυκνότητα μάζας.
“Το βάρος του χαλκού σε ένα ηλεκτρικό όχημα είναι ιδιαίτερα σημαντικό”, αναφέρει ο Sørhaug.
Αντικατάσταση του χαλκού με αλουμίνιο
Το βάρος ενός ηλεκτρικού οχήματος επηρεάζει άμεσα την ενεργειακή του απόδοση και, κατά συνέπεια, την αυτονομία του. Συνεπώς, η μείωση του βάρους αποτελεί σημαντική πρόκληση. Μια πιθανή λύση είναι η μείωση της χρήσης χαλκού.
“Το αλουμίνιο αποτελεί μια εξαιρετική εναλλακτική λύση, καθώς έχει παρόμοια ηλεκτρική αγωγιμότητα, καλή διαμορφωσιμότητα και υψηλή αντοχή όταν συνδυάζεται με άλλα στοιχεία για τη δημιουργία κραμάτων. Επιπλέον, είναι πολύ ελαφρύτερο από τον χαλκό”, αναφέρει ο Sørhaug.
Εάν αντικαταστήσουμε μέρος του χαλκού στους ηλεκτρικούς αγωγούς με αλουμίνιο, τα οχήματα μπορούν να γίνουν ελαφρύτερα και πιο ενεργειακά αποδοτικά. Αυτό είναι το αντικείμενο της έρευνας του Sørhaug και της ομάδας του, οι οποίοι εργάζονται στην ανάπτυξη “υβριδικών” ηλεκτρικών αγωγών, κατασκευασμένων από συνδυασμό χαλκού και αλουμινίου.
“Στο ερευνητικό μας έργο, έχουμε κατασκευάσει υβριδικούς ηλεκτρικούς αγωγούς από χαλκό και αλουμίνιο μέσω διαδικασίας συγκόλλησης, τους οποίους στη συνέχεια δοκιμάσαμε και αναλύσαμε λεπτομερώς”, προσθέτει ο Sørhaug.
Η συμβολή της ψυχρής συγκόλλησης
Η κατασκευή ηλεκτρικών αγωγών υψηλής ποιότητας είναι μια δύσκολη διαδικασία, αλλά η ψυχρή συγκόλληση επιτρέπει τη διατήρηση των επιθυμητών ιδιοτήτων των μετάλλων χωρίς σημαντική απώλεια αγωγιμότητας.
Κατά τη διάρκεια της συγκόλλησης, το αλουμίνιο και ο χαλκός αναμειγνύονται σε ατομικό επίπεδο στην επιφάνεια επαφής. Σε υψηλές θερμοκρασίες, σχηματίζονται εύθραυστοι κρύσταλλοι, γνωστοί ως διεπιμεταλλικές φάσεις, που μειώνουν την αγωγιμότητα και την αντοχή των μετάλλων. Επομένως, η συγκόλληση σε υψηλές θερμοκρασίες δεν είναι επιθυμητή.
“Για τον λόγο αυτό, εξετάσαμε τη χρήση της ψυχρής συγκόλλησης και συγκεκριμένα της πατενταρισμένης τεχνικής Hybrid Metal Extrusion & Bonding (HYB)”, εξηγεί ο Sørhaug.
Η τεχνική HYB έχει αναπτυχθεί στο NTNU και επιτρέπει τη δημιουργία λεπτών και σταθερών διεπιμεταλλικών στρώσεων στην επαφή μεταξύ αλουμινίου και χαλκού, γεγονός που προστατεύει τις μηχανικές και ηλεκτρικές ιδιότητες των αγωγών.
Η πρόκληση της αντοχής του αλουμινίου
Παρά τα πλεονεκτήματά του, το καθαρό αλουμίνιο είναι μηχανικά ασθενέστερο από τον χαλκό. Αυτό το πρόβλημα μπορεί να αντιμετωπιστεί με την προσθήκη κραμάτων, όπου προσεκτικά υπολογισμένες ποσότητες άλλων στοιχείων προστίθενται στο αλουμίνιο για να ενισχύσουν τις μηχανικές του ιδιότητες. Επιπλέον, η θερμομηχανική επεξεργασία, όπως η έλαση και η θερμική επεξεργασία, μπορεί να ενισχύσει περαιτέρω το υλικό.
“Ωστόσο, τα κράματα αλουμινίου είναι συχνά ευαίσθητα στις υψηλές θερμοκρασίες, καθώς η αντοχή τους μειώνεται με τη συγκόλληση. Μελετήσαμε τις αιτίες αυτής της μείωσης σε ατομικό επίπεδο και εξετάσαμε τρόπους βελτίωσης της αντοχής των κραμάτων”, αναφέρει ο Sørhaug.
Μελλοντικές προοπτικές και συνεργασίες
Το ερευνητικό έργο του Sørhaug ολοκληρώνεται φέτος, αλλά το NTNU και το SINTEF συνεχίζουν την έρευνα πάνω στην ψυχρή συγκόλληση αλουμινίου και χαλκού. Ο στόχος τους είναι η καλύτερη διαχείριση της θερμοκρασίας και η προσαρμογή της πλαστικής παραμόρφωσης σε νανοκλίμακα.
Σε αυτήν την προσπάθεια συμμετέχουν επίσης οι εταιρείες Hydro ASA, Corvus Energy AS και Professor Grong AS.
“Θέλουμε να βασιστούμε στην έρευνα του Sørhaug για τη δημιουργία ισχυρότερων συγκολλήσεων μεταξύ αλουμινίου και χαλκού”, δηλώνει η Randi Holmestad, καθηγήτρια φυσικής στο NTNU και μία από τις επιβλέπουσες του Sørhaug.
“Μέσω της μικροδομικής ανάλυσης και της βελτιστοποίησης της γεωμετρίας συγκόλλησης, στοχεύουμε στη δημιουργία μιας νανοδομής στις διεπιφάνειες που θα βελτιώσει τόσο την αντοχή όσο και την αγωγιμότητα των αγωγών. Αυτή η τεχνολογία θα έχει εφαρμογές σε ηλεκτρικά συστήματα μπαταριών, όπως αυτά της Corvus Energy”, εξηγεί η Holmestad.
Η συνεργασία του NTNU και του SINTEF με τη βιομηχανία δημιουργεί τις βάσεις για την παραγωγή νέων, προηγμένων υλικών και προϊόντων στη Νορβηγία. Η ελπίδα είναι ότι αυτή η έρευνα θα συμβάλει στη μείωση του βάρους των ηλεκτρικών οχημάτων, βελτιώνοντας την αυτονομία και την ενεργειακή τους απόδοση.