Fios de cobre com uma pitada de grafeno ganham uma eficiência inesperada

Redação do Site Inovação Tecnológica - 12/01/2024

A equipe está trabalhando com fios de cobre comerciais e usando um equipamento especialmente desenvolvido para a "dopagem" dos metais.
[Imagem: Bharat Gwalani et al. - 10.1016/j.matdes.2023.112555]

Coeficiente de temperatura da resistência

Em um fenômeno que contesta a sabedoria científica convencional sobre como os metais conduzem eletricidade, um composto de carbono comum permitiu fazer melhorias notáveis de desempenho quando misturado na proporção certa com cobre para fazer fios elétricos.

A descoberta, que poderá levar a uma distribuição de eletricidade mais eficiente para residências e empresas, bem como a motores mais eficientes para impulsionar veículos elétricos e equipamentos industriais, foi feita por Bharat Gwalani e colegas do Laboratório Nacional do Pacífico Noroeste (PNNL), nos EUA.

Gwalani descobriu que o grafeno, uma camada única do mesmo grafite encontrado nos lápis, pode melhorar uma propriedade importante dos metais chamada coeficiente de temperatura da resistência, que explica por que os fios de metal ficam quentes quando a corrente elétrica passa por eles - reduzir essa resistência resulta em um aumento da capacidade do metal de conduzir eletricidade.

Dopagem de metal

A ideia é aumentar a condutividade do metal - sobretudo do cobre, o metal mais utilizado em fios - adicionando-lhe outros materiais, de modo similar à dopagem feita nos semicondutores.

O feito foi alcançado quando a equipe adicionou 18 partes por milhão de grafeno ao cobre de grau elétrico, o que fez com que o coeficiente de temperatura da resistência diminuísse 11%, sem diminuir a condutividade elétrica à temperatura ambiente. Esta é uma marca relevante para a fabricação de motores de veículos elétricos, por exemplo, onde o aumento na condutividade elétrica do enrolamento dos fios de cobre se traduz em ganhos diretos de eficiência do motor.

"Esta descoberta vai contra o que é geralmente conhecido sobre o comportamento dos metais como condutores," disse a professora Keerti Kappagantula, coordenadora da pesquisa. "Normalmente, introduzir aditivos em um metal aumenta seu coeficiente de temperatura da resistência, o que significa que ele aquece mais rapidamente nos mesmos níveis de corrente em comparação com metais puros. Estamos descrevendo uma propriedade nova e excitante deste compósito metálico, no qual observamos uma condutividade aprimorada em um fio de cobre industrial."

Os ganhos obtidos ainda não são a última palavra, uma vez que a equipe continua otimizando o processo de mesclagem cobre-grafeno.
[Imagem: Bharat Gwalani et al. - 10.1016/j.matdes.2023.112555]

Aplicação generalizada

Quando usados em qualquer aplicação industrial, os novos fios compostos de cobre-grafeno garantirão uma maior flexibilidade de projeto. "Em qualquer lugar onde haja eletricidade, nós temos uma possibilidade de uso," disse Kappagantula.

Por exemplo, fios de cobre enrolado na forma de bobinas são usados no núcleo dos motores elétricos e dos geradores. Os motores atuais são projetados para operar dentro de uma faixa limitada de temperatura porque, quando ficam muito quentes, a condutividade elétrica cai drasticamente. Com o novo composto de cobre-grafeno, os motores poderiam potencialmente operar em temperaturas mais altas sem perder condutividade.

Da mesma forma, a fiação que leva eletricidade das linhas de transmissão para as residências e empresas é normalmente feita de cobre. À medida que a densidade populacional das cidades aumenta, também aumenta a demanda por energia. Um fio composto mais condutivo pode ajudar a atender a essa demanda sem necessidade de instalação de novas linhas de transmissão.

A equipe de pesquisa continua trabalhando para otimizar o material cobre-grafeno e medir outras propriedades essenciais, como resistência, fadiga, corrosão e resistência ao desgaste - todas cruciais para qualificar o novo material para aplicações industriais.

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