Hacia la era de los motores eléctricos sin cobre: la revolución de los nanotubos de carbono

Un equipo de investigación del Korea Institute of Science and Technology (KIST) ha logrado desarrollar un motor eléctrico cuyas bobinas están compuestas íntegramente por nanotubos de carbono (CNTs), eliminando por completo la necesidad de cobre.

Este prototipo funcional demuestra que la conversión de energía eléctrica en movimiento rotatorio es posible sin la dependencia de metales, manteniendo una eficiencia comparable y, lo que es crucial, con una reducción significativa del peso. Este desarrollo abre la puerta a nuevas generaciones de sistemas de propulsión en diversos ámbitos, desde la automoción hasta las aplicaciones aeroespaciales.

La reducción del peso no solo se traduce en una menor demanda energética, sino también en baterías más compactas y una mayor autonomía para los coches eléctricos. Aunque la construcción con materiales ligeros es una práctica establecida en la carrocería y el chasis, los componentes del sistema de propulsión eléctrico no han tenido tanta atención y tradicionalmente han dependido en gran medida de metales pesados como el cobre.

Las bobinas del motor, en particular, representan una parte considerable de este peso. Si bien el cobre ofrece una conductividad eléctrica excepcional, su coste elevado, su densidad y la intensidad energética de su producción lo hacen menos ideal.

Este desarrollo ha creado una bobina completamente libre de metal basada en CNTs y han demostrado que es viable construir un motor eléctrico operativo con esta tecnología. Los CNTs son nanoestructuras tubulares de pocos nanómetros de diámetro y varios micrómetros de longitud, formadas por átomos de carbono en una disposición hexagonal, similar al grafeno. Poseen una alta conductividad eléctrica comparable a la de los metales, una resistencia a la tracción extrema con un peso muy bajo, alta conductividad térmica y una notable estabilidad química. Estas propiedades los convierten en candidatos ideales para las bobinas eléctricas, aunque su implementación práctica había sido un desafío debido a su tendencia a aglomerarse y a la presencia de residuos de metales catalizadores que limitan su conductividad.

Innovación en la fabricación motores con nanotubos de carbono

Para superar las barreras en la utilización de los CNTs en bobinas, los investigadores del KIST tuvieron que innovar en el proceso de fabricación. Desarrollaron un nuevo método de purificación y estructuración llamado LLC-assisted Surface Texturing (LAST).

Este proceso protona los CNTs en una solución de ácido clorosulfónico, disolviendo los residuos de los catalizadores de hierro y, lo que es fundamental, preservando la fina nanoestructura 1D de los tubos. Esta preservación es clave para mantener la alineación de los tubos a lo largo del eje del cable, algo crítico para la conductividad eléctrica. El resultado es un diseño de cable novedoso denominado Core-Sheath Composite Electric Cable (CSCEC), donde los CNTs purificados conducen la corriente internamente, mientras una cubierta de polímero flexible los protege externamente. Este cable conductivo sirve como material de bobinado para los componentes del motor.

El equipo construyó un pequeño motor eléctrico con bobinas CSCEC para probar su viabilidad. El rotor se ensambló de manera similar a los motores convencionales, pero sin ninguna bobina metálica. En pruebas con 3 voltios, el motor de CNTs alcanzó una velocidad de 3.420 RPM. Al incorporarlo en un modelo de coche, este alcanzó una velocidad de 0,52 m/s en terreno llano.

Comparativamente, un motor de cobre alcanzó 18.120 RPM y una velocidad de 1,35 m/s. Sin embargo, en términos de peso, la bobina de cobre pesaba 379 mg, mientras que la de CNTs solo 78 mg. Si bien el motor de cobre es más potente en términos absolutos, la eficiencia específica (RPM por miligramo) del motor de CNTs es aproximadamente el 94% de la del cobre.

Esto significa que los CNTs ofrecen una eficiencia casi idéntica en relación con su peso, un aspecto vital para aplicaciones como los coches eléctricos. La conductividad intrínseca de los CNTs aún no iguala la del cobre, siendo actualmente alrededor de 7,4 veces menor.

No obstante, las mejoras en la alineación, la purificación de superficies y la optimización de los puntos de contacto han permitido al equipo aumentar el rendimiento eléctrico en un 133% en comparación con las muestras de CNTs no tratadas.

Además, los CNTs son extraordinariamente ligeros, moldeables y, potencialmente, más económicos a gran escala. Las principales desventajas residen en su susceptibilidad a defectos y la formación incontrolada de cúmulos, desafíos que deben superarse para la producción en masa. A pesar de estas limitaciones actuales, el potencial es inmenso.

El equipo de investigación ha enfatizado que, basándose en la innovación de los materiales de CNTs, los resultados demuestran que las bobinas sin metal ya no son una utopía. A medida que la escasez de materiales, las fluctuaciones de precios y la sostenibilidad cobren mayor importancia podrían desempeñar un papel fundamental en sectores como la movilidad eléctrica y las tecnologías de propulsión.

Una alternativa cuyo éxito dependerá de la capacidad para escalar los procesos de fabricación y mejorar continuamente las propiedades eléctricas de estos prometedores materiales.

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