Der Grund dafür ist, dass sowohl Kupfer als auch Aluminium an ihre Grenzen stoßen, und deshalb werden neue Optionen gesucht, um diesem Mangel entgegenzuwirken, und zwar zu einer Zeit, in der der Strommarkt aufgrund des Aufstiegs von Elektronik, erneuerbaren Energien und Elektromobilität gefragter ist denn je.
In diesem Zusammenhang erscheinen Kohlenstoffnanoröhren aufgrund ihrer Eigenschaften als vielversprechende Option: „Kohlenstoffnanoröhren gelten aufgrund ihrer Kombination aus geringer Dichte und hervorragenden elektrischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften seit langem als ideale Bausteine für die Herstellung elektrischer Leiter“, erklärt Javier Llorca, Forscher am Institut für Materialwissenschaften der Polytechnischen Universität Madrid (UPM) und wissenschaftlicher Direktor von IMDEA Materials, einer weiteren der an der Studie beteiligten Institutionen.
Bislang hatten sie jedoch noch nicht die erforderliche elektrische Leitfähigkeit erreicht, um im industriellen Maßstab eine echte Alternative zu herkömmlichen Werkstoffen, insbesondere Kupfer und Aluminium, darzustellen.
Nun ist es erstmals einem Projekt mit Beteiligung von Forschern der UPM gelungen, Kohlenstoffnanoröhren zu entwickeln, die diese Einschränkungen überwinden und eine elektrische Leitfähigkeit erreichen, die der von Kupfer überlegen ist, sowie einen höheren Widerstand als Stahl.
Hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie-Aufnahme, die den Querschnitt von Kohlenstoffnanoröhren (links) und die zwischen den Kohlenstoffnanoröhren eingebetteten Cl- und Al-Atome (rechts) zeigt.
„Diese Einschränkungen wurden durch ein skalierbares Herstellungsverfahren überwunden, das die Dotierung von Kohlenstoffnanoröhrenfasern mit Tetrachloroaluminat (AlCl₄) ermöglicht. Dieses Molekül wird zwischen die Kohlenstoffnanoröhren der Faser eingelagert, ohne deren mechanische Eigenschaften zu verändern. Der Ladungstransfer von den Kohlenstoffatomen zu den Chloridionen führt jedoch zu einer Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit auf bis zu 24,5 MS/m (Mega-Siemens pro Meter), fast die Hälfte der Leitfähigkeit von Kupfer, bei einer sechsmal geringeren Dichte“, erklärt der Forscher der UPM.
Anwendungen in Elektrofahrzeugen, Drohnen und Flugzeugen
Die Bedeutung dieser Arbeit, die in der renommierten internationalen Fachzeitschrift Science veröffentlicht wurde, liegt darin, dass die für die Nanoröhren erzielten Eigenschaften „besonders relevant für die Elektrifizierung des Transportwesens sind, seien es Elektrofahrzeuge, Drohnen oder Flugzeuge, die eine große Anzahl von Leitern mit möglichst geringer Dichte benötigen, und auch ein großes Potenzial für Freileitungen bieten, deren Leistungsfähigkeit üblicherweise durch ihr Eigengewicht begrenzt ist“, schließen die Autoren dieser Forschung.
Neben UPM haben sich auch Forscher von IMDEA Materials und dem Institut für Nanowissenschaften und Materialien von Aragon (einem gemeinsamen Zentrum von CSIC und der Universität Saragossa) an der Forschung beteiligt.
Referenz: AI de Isidro-Gómez, V. Vassilev-Galindo, A. Mikhalchan, M. Peláez-Fernández, J. LLorca, R. Arenal, JJ Vilatela. Interkalierte Kohlenstoffnanoröhrenfasern mit spezifischer elektrischer Leitfähigkeit oberhalb von Metallen. Science, 392 (6796) 395-400, 2026
