Wissenschaftler des PNNL haben es geschafft, die Leitfähigkeit von Aluminium zu erhöhen.

Wissenschaftler des PNNL (Pacific Northwest National Laboratory) schlagen vor,wie die Leitfähigkeit von Aluminium erhöht werden kann, um es gegenüber Kupfer wirtschaftlich wettbewerbsfähig zu machen.

Die erste Simulation der Leitfähigkeit von Aluminium öffnet die Tür für Experimente, die, wenn sie vollständig durchgeführt werden, zu einer ultraleitfähigen Aluminiumalternative zu Kupfer führen könnten, die laut den Autoren in Märkten jenseits der Übertragungsleitungen nützlich wäre undFahrzeuge, Elektronik und das Stromnetz revolutionieren würde.

„Was würde passieren, wenn man Aluminium leitfähiger machen könnte, sogar zu 80 % oder 90 % so leitfähig wie Kupfer? Man könnte Kupfer ersetzen, und das würde einen großen Unterschied machen, denn leitfähigeres Aluminium ist leichter, billiger und reichlicher vorhanden“, sagteKeertiKappagantula, Materialwissenschaftler am PNNL und Mitautor der Studie,in einer Erklärung.„Das ist das allgemeine Problem, das wir zu lösen versuchen.“

Die Nachfrage nach Kupfer übersteigt derzeit schnell das Angebot, was zu einem Anstieg der Kosten führt. Kupfer ist ein ausgezeichneter elektrischer Leiter und wird in allen Bereichen eingesetzt, von tragbaren elektronischen Geräten bis hin zu Unterwasserkabeln, die das Internet versorgen. Es lässt sich jedoch nicht leugnen, dass Kupfer immer knapper und teurer wird.

Eigenschaften

Es wird erwartet, dass sich diese Herausforderungen mit der steigenden Zahl von Elektrofahrzeugen, die doppelt so viel Kupfer benötigen wie herkömmliche Fahrzeuge, noch verschärfen werden.Darüber hinaus ist Kupfer schwer, was die Effizienz von Elektrofahrzeugen verringert.

Aluminium kostet nur ein Drittel des Preises und wiegt nur ein Drittel des Gewichts von Kupfer, hat jedoch nur eine Leitfähigkeit von 60%. Die relativ geringe Leitfähigkeit von Aluminium kann in einigen realen Anwendungen eine Einschränkung darstellen.

„Die Leitfähigkeit ist entscheidend, da ein leichteres Kabel mit gleicher Leitfähigkeit für die Konstruktion leichterer Motoren und anderer elektrischer Komponenten verwendet werden kann, sodass Ihr Fahrzeug längere Strecken zurücklegen kann“, so Kappagantula.

„Alles, von den elektronischen Bauteilen eines Autos bis hin zur Energieerzeugung und der Übertragung dieser Energie über das Netz zu Ihrem Haus, um die Batterie Ihres Autos aufzuladen– alles, was mit Strom funktioniert, kann effizienter werden.“

Leitfähigkeit erhöhen

Eine Erhöhung der Leitfähigkeit von Aluminium würde die Spielregeln grundlegend verändern. „Jahrelang dachten wir, dass Metalle nicht leitfähiger gemacht werden könnten. Aber das ist nicht der Fall“, erklärte Kappagantula.„Wenn man die Struktur des Metalls verändert und die richtigen Additive hinzufügt, kann man tatsächlich seine Eigenschaften beeinflussen.“

Um herauszufinden, um wie viel die Leitfähigkeit von Aluminium gesteigert werden könnte, haben sich Kappangantula und die Postdoktorandin Aditya Nittala vom PNNL mit Professor David Drabold und dem Doktoranden Kashi Subedi von der Ohio University zusammengetan, um die Auswirkungen von Temperatur und Strukturfehlern auf die Leitfähigkeit von Aluminium zu ermitteln und ein atomgenaues Rezept zur Steigerung seiner Leitfähigkeit zu entwickeln.

Diese Art der molekularen Simulationwar zuvor noch niefür Metalle durchgeführt worden, sodass die Forscher kreativ werden mussten. Sie ließen sich von Halbleitern inspirieren, da frühere Forschungen die Leitfähigkeit in diesen Materialien auf Siliziumbasis und einigen Metalloxiden erfolgreich simuliert hatten.

Das Team passte diese Konzepte für die Arbeit mit Aluminium an und simulierte, was mit der Leitfähigkeit des Metalls passieren würde, wenn einzelne Atome aus seiner Struktur entfernt oder neu angeordnet würden.Diese kleinen Veränderungen führten zu großen Gewinnen bei der Gesamtleitfähigkeit.

In anderen Metallen suchen

Die Fähigkeit des Modells, reale Bedingungen zu simulieren, überraschte sogar das Team. „Wir hätten nicht gedacht, dass diese Ergebnisse so nah an der Realität liegen würden”, sagte Kappagantula. 

„Diese Modellsimulation, die auf der atomaren Struktur und ihren verschiedenen Zuständen basiert, ist so präzise, dass ich sagte:‚Wow, das trifft genau ins Schwarze.‘ Das ist sehr aufregend.“

 Nachdem nun ein theoretisches Rezept zur Veränderung der Leitfähigkeit von Metall vorliegt, wollen die Forscher im Labor untersuchen, um wie viel sie die Leitfähigkeit von Aluminium erhöhen können, um die Theorie mit den experimentellen Ergebnissen in Einklang zu bringen. Außerdem prüfen siedie Möglichkeit, die Leitfähigkeit anderer Metalle mit denselben Simulationen zu erhöhen.

Die Forschungsergebnisse wurden in Physical Review B veröffentlicht, und das Team hofft, dass ein leitfähigeres Aluminium weitreichende Auswirkungen haben wird: Jede Anwendung, die Strom oder Kupfer verwendet, könnte von der Entwicklung eines ultraleitfähigen, leichten und erschwinglichen Aluminiums profitieren.