Có thể Nhôm Kỹ thuật lại giúp đáp ứng Nhu cầu về Đồng?

Nhìn nhận về dây điện, một công nghệ lan truyền mà chúng ta thường xuyên quên. Cuộn trong thiết bị của chúng ta, bọc quanh tường của chúng ta, treo dọc theo đường phố của chúng ta, hàng triệu tấn sợi kim loại mảnh đang làm nhiệm vụ điện hóa thế giới. Nhưng công việc của chúng là vô hại, và quá tự nhiên đến mức nó không còn cảm giác như công nghệ nữa. Dây dẫn điện chuyển động electron đơn giản vì đó là điều kim loại thực hiện khi dòng được cung cấp cho chúng: chúng dẫn.

Nhưng luôn có chỗ cho sự cải tiến. Kim loại dẫn điện vì chúng chứa electron tự do không bị ràng buộc bởi bất kỳ nguyên tử cụ thể nào. Càng nhiều electron chảy và càng nhanh chúng đi, kim loại dẫn điện càng tốt. Vì vậy, để cải thiện sự dẫn điện - quan trọng để bảo quản năng lượng được sản xuất tại nhà máy điện hoặc lưu trữ trong pin - các nhà khoa học vật liệu thường săn đón sắp xếp nguyên tử hoàn hảo hơn. Mục tiêu chính của họ là tinh khiết - loại bỏ bất kỳ mảnh vật liệu ngoại lai hoặc khuyết sót nào làm gián đoạn dòng chảy. Đồng là đồng, và vàng là vàng, càng nhiều thứ khác chỉ làm cản trở.

"Nếu bạn muốn cái gì đó thực sự dẫn điện cao, thì bạn chỉ cần đi theo đuổi sự tinh khiết", nói Keerti Kappagantula, một nhà khoa học vật liệu tại Thư viện Quốc gia Thái Bình Dương. Đó là lý do tại sao cô coi nghiên cứu của mình khá "kỳ cục". Mục tiêu của cô là làm cho kim loại dẫn điện hơn bằng cách làm cho chúng ít tinh khiết hơn. Cô sẽ lấy một kim loại như nhôm và thêm vào các chất phụ gia như graphene hoặc các ống nano cacbon, tạo ra một hợp kim. Làm điều đó đúng cách, Kappagantula đã phát hiện ra, và vật liệu bổ sung có thể tạo ra một hiệu ứng kỳ lạ: Nó có thể đẩy kim loại vượt qua giới hạn dẫn điện lý thuyết của nó.

Ở trường hợp này, mục tiêu là tạo ra nhôm có thể cạnh tranh với đồng trong các thiết bị điện - một kim loại gần như gấp đôi dẫn điện, nhưng cũng tốn khoảng gấp đôi. Nhôm có những lợi ích: Nó nhẹ hơn nhiều so với đồng. Và với tư duyên kim loại phổ biến nhất trong vỏ Trái Đất - nhiều hơn khoảng nghìn lần so với đồng - nó cũng rẻ hơn và dễ đào tạo hơn.

Ngược lại, việc tìm nguồn cung đồng đang trở nên khó khăn khi thế giới chuyển đổi sang năng lượng xanh. Mặc dù lâu nay đã phổ biến trong dây và động cơ, nhu cầu về nó đang tăng cao. Một chiếc xe điện sử dụng khoảng bốn lần nhiều đồng so với một chiếc ô tô thông thường, và vẫn cần nhiều hơn nữa cho các thành phần điện của nhà máy điện tái tạo và dây nối chúng với lưới. Các chuyên gia tại Wood Mackenzie, một công ty nghiên cứu tập trung vào năng lượng, ước tính rằng các trang trại gió ngoại khơi sẽ đòi hỏi 5,5 megaton kim loại trong vòng 10 năm, chủ yếu cho hệ thống cáp lớn bên trong máy phát và để chuyển electron mà các cánh quạt tạo ra đến bờ biển. Trong những năm gần đây, giá đồng đã tăng vọt, và các chuyên gia dự đoán sự thiếu hụt ngày càng tăng của kim loại này. Goldman Sachs gần đây đã tuyên bố nó là "dầu mới".

Một số công ty đã bắt đầu thay thế nó bằng nhôm nơi họ có thể. Trong những năm gần đây, có sự chuyển đổi tỷ đô la trong các thành phần từ máy điều hòa không khí đến các bộ phận ô tô. Đường dây điện cao áp đã sử dụng dây nhôm, vì chúng rẻ và nhẹ, cho phép chúng được treo dài hơn qua các khoảng cách xa. Nhôm đó thường ở dạng tinh khiết và dẫn điện cao nhất.

Nhưng quá trình chuyển đổi này gần đây đã chậm lại - một phần là do sự chuyển đổi đã được thực hiện cho các ứng dụng nơi nhôm làm nhiều ý nghĩa nhất, theo Jonathan Barnes, một chuyên gia phân tích chính trên thị trường đồng tại Wood Mackenzie. Đối với việc sử dụng trong một loạt các ứng dụng điện rộng lớn, dẫn điện là hạn chế chính. Đó là lý do tại sao các nhà nghiên cứu như Kappagantula đang cố gắng tái kỹ thuật lại kim loại.

Quá trình chuyển các vật liệu đó ra khỏi phòng thí nghiệm sẽ mất thời gian dài. Bước đầu tiên của đội ngũ là sản xuất dây làm từ hợp kim mới — trước hết là vài inch, sau đó là vài mét. Tiếp theo, họ sẽ tạo ra thanh và tấm có thể chạy qua loạt bài kiểm tra để đảm bảo chúng không chỉ dẫn điện tốt hơn mà còn đủ mạnh và linh hoạt để có thể sử dụng cho mục đích công nghiệp. Nếu nó vượt qua những kiểm tra đó, họ sẽ hợp tác với các nhà sản xuất để sản xuất lượng lớn hơn của hợp kim.

Nhưng đối với Kappagantula, việc tái tạo quy trình sản xuất nhôm có tuổi đời hơn hai thế kỷ đôi khi đáng giá những khó khăn. “Chúng ta cần rất nhiều đồng, và chúng ta sẽ sớm đối mặt với tình trạng thiếu hụt,” cô nói. “Nghiên cứu này cho chúng ta biết rằng chúng ta đang trên con đường đúng đắn.”