L’allègement est un objectif commun aux véhicules électriques, aux drones et aux engins spatiaux. Les machines plus légères consomment moins d’énergie, ce qui permet à leurs batteries de fonctionner plus efficacement et leur permet de parcourir de plus longues distances. La légèreté va également de pair avec la durabilité, car de meilleures performances globales entraînent une réduction des émissions de carbone. Les moteurs électriques sont au cœur de cet effort. Les bobines de moteur représentent une grande partie du poids d'un moteur et la plupart des bobines utilisent du cuivre. Le cuivre conduit bien l'électricité, mais il pose également certains défis, tels que des problèmes d'approvisionnement en ressources, des fluctuations de prix et un poids accru dû à une densité élevée.
Une équipe dirigée par le Dr Dae-Yoon Kim de l'Institut des matériaux composites de l'Institut coréen des sciences et technologies (KIST) a développé un moteur électrique avec des bobines constituées uniquement de nanotubes de carbone (CNT), sans aucun métal. Lors des tests, l'équipe a pu contrôler les tours par minute (RPM) du moteur en fonction des changements de tension d'entrée. Cela montre que les moteurs électriques peuvent remplir leur fonction de base consistant à convertir l’énergie électrique en force de rotation sans utiliser de conducteurs métalliques.
Les nanotubes de carbone (CNT) sont des nanomatériaux tubulaires unidimensionnels dont les atomes de carbone sont disposés dans une structure hexagonale en nid d'abeille. Ils sont beaucoup plus légers que les métaux ordinaires et possèdent une conductivité électrique élevée, une forte résistance mécanique et une bonne conductivité thermique. Malgré cela, les NTC sont encore confrontés à de nombreux défis dans leurs applications pratiques. Un problème majeur concerne les restes de métal catalyseur provenant du processus de fabrication. Ces particules métalliques peuvent affecter directement les composants du moteur en adhérant à la surface des CNT et en réduisant les performances électriques.
L'équipe KIST a développé un nouveau procédé de purification des nanotubes de carbone (CNT) qui exploite le comportement d'orientation des cristaux liquides, le « quatrième état de la matière » entre les états liquide et solide. À mesure que les nanotubes de carbone s'orientent, le processus décompose naturellement les amas et aide à éliminer les particules métalliques de la surface. La clé est qu’il peut éliminer sélectivement les impuretés sans endommager la nanostructure des nanotubes de carbone. Cela le différencie de nombreuses méthodes de purification en phase liquide et gazeuse. Les nanotubes de carbone qui en résultent sont suffisamment conducteurs pour fonctionner dans de véritables moteurs électriques.
Les chercheurs ont ensuite fabriqué des bobines à partir de nanotubes de carbone purifiés et ont fait fonctionner des moteurs présentant un contrôle de vitesse stable à différentes tensions. Si cette approche peut être étendue, des bobines plus légères pourraient réduire le poids du moteur et la masse globale du système. Cela pourrait également réduire la dépendance à l’égard du cuivre et réduire les risques liés aux prix et à l’approvisionnement. Des recherches futures sont nécessaires pour comparer les performances des conceptions à base de cuivre en termes de densité de puissance, d'efficacité, de gestion thermique et de coût dans des conditions de fonctionnement réelles.
Le Dr Kim Dae-yun de l'Institut coréen des sciences et technologies a déclaré : « En développant un nouveau concept de technologie CNT de haute qualité sans précédent, nous pouvons maximiser les performances électriques des bobines CNT pour entraîner des moteurs sans métal. En nous basant sur l'innovation des matériaux CNT, nous serons les premiers à localiser des matériaux tels que les matériaux conducteurs de batterie, les films semi-conducteurs et les câbles de robot. »
Source : KIST