Mit Aluminium eine leitfähige Alternative zu Kupfer erhitzen

In der Welt der Elektrizität ist Kupfer der König – vorerst. Das könnte sich mit neuen Forschungsergebnissen des Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) ändern, das ein Rezept zur Erhöhung der Leitfähigkeit von Aluminium liefert, das es wirtschaftlich mit Kupfer konkurrenzfähig macht. Diese Forschung öffnet die Tür für Experimente, die – wenn sie vollständig realisiert werden – zu einer ultraleitfähigen Aluminiumalternative zu Kupfer führen könnten, die in Märkten jenseits von Übertragungsleitungen nützlich wäre und Fahrzeuge, Elektronik und das Stromnetz revolutionieren würde.

„Was wäre, wenn Sie Aluminium leitfähiger machen könnten – sogar 80 % oder 90 % so leitfähig wie Kupfer? Sie könnten Kupfer ersetzen, und das würde einen großen Unterschied machen, weil leitfähigeres Aluminium leichter, billiger und häufiger vorkommt“, sagte Keerti Kappagantula. PNNL-Materialwissenschaftler und Co-Autor der Forschung. „Das ist das Gesamtproblem, das wir zu lösen versuchen.“

Kupfer vs. Aluminium

Die Kupfernachfrage übersteigt schnell die derzeitige Verfügbarkeit und treibt die Kosten in die Höhe. Kupfer ist ein großartiger elektrischer Leiter – es wird in allem verwendet, von tragbarer Elektronik bis hin zu Unterwasser-Übertragungskabeln, die das Internet mit Strom versorgen – aber es ist nicht zu übersehen, dass Kupfer immer weniger verfügbar und teurer wird. Diese Herausforderungen werden sich voraussichtlich mit der steigenden Zahl von Elektrofahrzeugen (EVs) verschärfen, die doppelt so viel Kupfer benötigen wie herkömmliche Fahrzeuge. Außerdem ist Kupfer schwer, was die Effizienz von Elektrofahrzeugen senkt.

Aluminium kostet und wiegt nur ein Drittel von Kupfer, ist aber nur zu etwa 60 % so leitfähig. Die relativ geringe Leitfähigkeit von Aluminium kann in einigen realen Anwendungen eine Einschränkung darstellen.

„Leitfähigkeit ist der Schlüssel, weil ein leichterer Draht mit äquivalenter Leitfähigkeit verwendet werden kann, um leichtere Motoren und andere elektrische Komponenten zu konstruieren, sodass Ihr Fahrzeug potenziell längere Strecken zurücklegen kann“, sagte Kappagantula. „Alles, von der Elektronik eines Autos über die Energieerzeugung bis hin zur Übertragung dieser Energie über das Stromnetz zu Ihnen nach Hause, um die Batterie Ihres Autos aufzuladen – alles, was mit Strom betrieben wird – alles kann effizienter werden.“

Die Erhöhung der Leitfähigkeit von Aluminium wäre ein Wendepunkt.

„Jahrelang dachten wir, man könne Metalle nicht leitfähiger machen. Aber dem ist nicht so“, erklärt Kappagantula. „Wenn man die Struktur des Metalls verändert und die richtigen Additive hinzufügt, kann man seine Eigenschaften tatsächlich beeinflussen.“

Um herauszufinden, wie stark die Aluminiumleitfähigkeit erhöht werden könnte, haben sich Kappangantula und der PNNL-Postdoktorand Aditya Nittala mit dem angesehenen Professor David Drabold und dem Doktoranden Kashi Subedi von der Ohio University zusammengetan, um die Auswirkungen von Temperatur und strukturellen Defekten auf die Aluminiumleitfähigkeit zu identifizieren und ein Atom-für-Atom-Rezept entwickeln, um seine Leitfähigkeit zu erhöhen.

Ein vorbildlicher Erfolg

Diese Art der molekularen Simulation war noch nie zuvor für Metalle durchgeführt worden, also mussten die Forscher kreativ werden. Sie ließen sich von Halbleitern inspirieren, da frühere Forschungen erfolgreich die Leitfähigkeit in diesen Materialien auf Siliziumbasis und einigen Metalloxiden simuliert hatten. Das Team passte diese Konzepte an die Arbeit mit Aluminium an und simulierte, was mit der Leitfähigkeit des Metalls passieren würde, wenn einzelne Atome in seiner Struktur entfernt oder neu angeordnet würden. Diese winzigen Änderungen summierten sich zu großen Zuwächsen bei der Gesamtleitfähigkeit.

Die Fähigkeit des Modells, reale Bedingungen zu simulieren, überraschte sogar das Team. „Wir hätten nicht gedacht, dass diese Ergebnisse so nah an der Realität liegen würden“, sagte Kappagantula. „Diese Modellsimulation, die auf der atomaren Struktur und ihren verschiedenen Zuständen basiert, ist so präzise – ich dachte: ‚Wow, das ist genau richtig.‘ Es ist sehr aufregend.“

Nachdem ein theoretisches Rezept zur Änderung der Metallleitfähigkeit nun klar ist, wollen die Forscher sehen, wie stark sie die Leitfähigkeit von Aluminium im Labor erhöhen können, um die Theorie mit den experimentellen Ergebnissen in Einklang zu bringen. Sie untersuchen auch die Möglichkeit, die Leitfähigkeit anderer Metalle mit denselben Simulationen zu erhöhen.

Die Forschung ist veröffentlicht in Körperliche Überprüfung Bund das Team erwartet, dass leitfähigeres Aluminium weitreichende Auswirkungen haben würde – jede Anwendung, die Elektrizität oder Kupfer verwendet, könnte von der Entwicklung von erschwinglichem, leichtem, ultraleitfähigem Aluminium profitieren.