没有金属线圈的电动机
韩国科学家研发出无金属碳纳米管电线，重量仅铜的五分之一，助力轻量化电机，推动电动车与航空技术革新。
韩国科学技术研究院(KIST)的科学家们推出了一种突破性的碳纳米管(CNT)电线，彻底摒弃了传统的铜和铝材料。这种新型电线采用液晶辅助表面纹理(LAST)工艺，打造出芯鞘复合电线(CSCEC)，不仅导电性能优异，还极具柔韧性，最重要的是，它轻得惊人。每根电线的厚度仅约0.3毫米，含绝缘层，细如名片，却能驱动一台小型电动机。
这些芯鞘复合电线已在实验中大放异彩，成功取代了一辆模型车电机中的全部铜线。KIST的Dae-Yoon Kim博士自豪地说：“我们开发了一种前所未有的碳纳米管技术，最大化提升了其导电性能，让无金属电机的驱动成为现实。”这项技术的核心在于LAST工艺，利用液晶的独特性质——流动如液体，却保留晶体的方向性——将原本易团聚的碳纳米管排列整齐，并通过化学清洗去除生产中的金属杂质，保留了碳纳米管关键的一维纳米结构。
这一工艺让电线的导电率飙升130%以上，同时大幅减轻重量，并确保性能长期稳定。重量对电动设备至关重要，无论是延长电池续航、提升行驶里程，还是让飞行器飞得更高更远，轻量化都是关键。传统电机虽比内燃机轻，但铜线绕组和车内布线仍让重量居高不下。以特斯拉Model S为例，其前后电机总重约68公斤，其中铜线占了约25%。若换用芯鞘复合电线，电机总重可降至约52公斤。虽然对整车2069公斤的重量来说看似微不足道，但更低的旋转惯量能带来更快的加速、更灵敏的油门响应和更高的扭矩效率，甚至还能缩小冷却系统，进一步减轻重量。这种连锁效应将显著提升电池续航和行驶里程。
想象一下未来的可能性：Joby的电动垂直起降飞行器(eVTOL)可能包含91-136公斤的铜线布线和81-108公斤的电机铜绕组。如果芯鞘复合电线能应用于高电压和通用布线，Joby的飞行器有望减重136-227公斤。这对航空工程师来说简直是天赐良机——谁会拒绝让飞行器轻上四分之一吨的机会？
然而，这项技术仍面临挑战。碳纳米管的导电率(约770万西门子每米)尚无法匹敌铜(5900万西门子每米)，导致同等尺寸和电压下电流较小，输出较低。在KIST的实验中，碳纳米管电机最高转速为3420转每分钟，而铜线电机高达18120转每分钟。不过，碳纳米管电机的导体核心重量仅为铜的五分之一，其单位重量的旋转速度仅比铜低6%，在航空领域这种轻量化优势尤为重要。
成本也是个绕不开的话题。碳纳米管电线的制造成本高达每公斤375-500美元，而铜仅为10-11美元。此外，现有产品无法直接替换铜线，需从头设计绝缘层和绕组结构。更令人担忧的是，碳纳米管生产依赖化石燃料，能耗高且副产物有毒，例如LAST工艺中使用的氯磺酸和清洗阶段产生的盐酸。但反过来想，铜矿开采的环境代价又何尝低廉？
尽管如此，KIST的突破为电动技术开辟了新路径。研究人员表示，通过优化聚合物鞘层和碳纳米管排列，导电率有望进一步提升，缩小与铜的差距。从模型车到电动汽车，再到未来的空中出租车，这项技术或许将重塑我们对电力的想象。
