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Palle di fullerene nel settore energetico

08.02.2015

Nel 1985, i chimici sintetizzarono per la prima volta un pallone da calcio. Consisteva di 60 atomi di carbonio collegati in una figura geometrica tridimensionale formata da esagoni regolari di cinque ed esagoni. Questa molecola si chiamava fullerene e per trent'anni è stata studiata da vicino nei laboratori.

I chimici hanno imparato a fare i trucchi più virtuosi con una palla di carbonio: fissare varie molecole sulla sua superficie, inserire atomi di metallo al suo interno e persino dimostrare che le batterie solari possono essere realizzate a base di fullerene. In ogni articolo scientifico dedicato al fullerene, gli scienziati hanno affermato che può essere utilizzato in un'ampia varietà di settori, ma la questione non ha mai avuto una reale applicazione. Fullerene è rimasto un giocattolo divertente nelle mani dei ricercatori. Tuttavia, ora c'è una reale possibilità che la palla molecolare sia utile all'umanità.

I ricercatori svedesi della Chalmers University of Technology hanno dimostrato che il fullerene può aumentare la resistenza dell'isolamento utilizzato per realizzare cavi ad alta tensione. Fino all'era dell'elettricità wireless, il modo più affidabile per trasferire energia a distanza è un cavo normale. Chilometri di linee elettriche si estendono da varie centrali elettriche ai consumatori. La maggior parte degli elettrodomestici sono alimentati a 220 volt. Le apparecchiature industriali utilizzano spesso 380 volt. E sebbene entrambe le tensioni siano pericolose e possano anche essere mortali, appartengono alla classe della bassa tensione.

Il fatto è che le alte tensioni - centinaia di migliaia di volt - sono necessarie per trasmettere energia su lunghe distanze. Ad esempio, per trasmettere elettricità dalle centrali elettriche siberiane alle imprese industriali negli Urali, negli anni '80 del secolo scorso è stata costruita una linea elettrica ad altissima tensione - fino a 1,1 milioni di volt. L'alta tensione deve essere utilizzata per ridurre le perdite durante la trasmissione di elettricità attraverso i cavi: maggiore è la tensione, minore è la perdita di energia lungo il percorso dalla centrale al consumatore.

Ci sono linee elettriche aeree - questi sono fili scoperti appesi a pali e alberini. Dove è impossibile usarli, vengono posate le linee dei cavi. Il cavo può essere posato sottoterra o sott'acqua. In un cavo, un filo metallico che trasporta corrente è circondato da uno strato di isolante, un materiale non conduttivo. Per la produzione di cavi ad alta tensione viene utilizzato l'isolamento in polietilene, lo stesso polimero da cui vengono realizzati i tradizionali sacchetti di imballaggio. Ma le capacità isolanti del polietilene non sono illimitate: se viene superato un certo limite, si verificherà un guasto e la linea in cavo andrà completamente a male. E sostituire un cavo posato sottoterra o sott'acqua è un affare problematico.

Allora, qual è il problema con i palloni da calcio in carbonio? Si è scoperto che se le molecole di fullerene vengono aggiunte al polietilene, le sue qualità isolanti aumentano. Il cavo modificato con fullerene resiste a una tensione maggiore rispetto al cavo convenzionale, il 26% in più. E questo significa che attraverso di essa può essere trasmessa il 26% in più di energia. Per ottenere questo effetto, i chimici svedesi hanno creato un materiale isolante in cui è presente un grammo di fullerene per chilogrammo di polietilene.

Il fullerene ha proprietà elettroniche molto peculiari. Può intrappolare elettroni ad alta energia che distruggono le proprietà isolanti del polietilene. Il fullerene accetta tali elettroni, salvando il polimero da una possibile rottura. Sebbene questa scoperta non sia una di quelle che fanno una rivoluzione nel settore energetico, ma nell'industria, aumentare l'efficienza di ogni punto percentuale consente di risparmiare tonnellate di materiali e megawatt di potenza.

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Kevlar per batteria 05.02.2015

I ricercatori dell'Università del Michigan stanno sviluppando una tecnologia che ridurrà significativamente il rischio di incendio nelle batterie al litio. L'essenza dello sviluppo è l'uso di una barriera ad alta resistenza tra gli elettrodi.

Le nanofibre di kevlar, una fibra para-aramidica (poliparafenilene-tereftalammide) ad alta resistenza utilizzata per rinforzare i materiali compositi, sono servite come materiale per la fabbricazione della membrana. Il kevlar è noto al grande pubblico per i tessuti resistenti all'usura e le attrezzature sportive protettive. Viene utilizzato anche nei giubbotti antiproiettile.

Nel caso delle batterie, lo scopo della membrana in nanofibra di Kevlar è quello di resistere alla formazione di "germogli" di metallo che possono causare un cortocircuito.

In precedenza, era possibile ottenere membrane con un diametro del foro dell'ordine di centinaia di nanometri. Il diametro dei fori nella nuova membrana è 15-20 nm. Per questo motivo, gli ioni di litio lo attraversano senza ostacoli, ma gli atomi di litio no. Più precisamente, i singoli atomi possono farlo, ma la penetrazione di strutture più grandi che possono causare una chiusura è bloccata.

La membrana può essere resa molto sottile per aumentare la densità di energia della cellula.

Decine di aziende si sono già interessate allo sviluppo, richiedendo campioni del materiale.

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