Die Kohlenstoff-Nanoröhren-Technologie verspricht eine Revolution bei elektrischen Kabeln

Whitepaper

Die Kohlenstoff-Nanoröhren-Technologie kann zu einer Revolution bei elektrischen Kabeln führen

Die Handhabung von Kohlenstoff-Nanoröhren in Form von Garnen und Bändern erfordert eine Vervollkommnung der Fertigungsprozesse für Kabel zur Optimierung des Durchsatzes und der Verbesserung des Ertrags.

Revolution bei Kabeln

Während die Technologie der Kohlenstoff-Nanoröhren (Carbon Nanotube Technology, CNT) ein allgemeines Interesse für Anwendungen von Halbleiter bis hin zur Medizin geweckt hat, liegt der besondere Forschungsschwerpunkt von TE Connectivity (TE) diesbezüglich bei elektrischen Hochleistungskabeln. TE ist von Anfang an an der Entwicklung von CNT zu Leitungen und Kabeln beteiligt und arbeitet dabei mit Universitäten und Branchenführern zusammen; für Evaluierungszwecke stehen Prototypenmuster bereit. Obwohl noch einige Fortschritte erzielt werden müssen, bevor CNT-Kabel breitflächig eingesetzt werden können, sind wir überzeugt, dass die Technologie für bestimmte Nischenanwendungen wie Satelliten bereits ausgereift genug ist.  

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Eine Kohlenstoff-Nanoröhre besteht aus einer oder einigen wenigen Lagen von Kohlenstoffatomen in einer zylindrischen Konfiguration.
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Die besten elektrischen Eigenschaften zeigen Nanoröhren mit nur einer oder wenigen Wänden in hochgradig ausgerichteten Strukturen.

Kabel mit CNT-Komponenten besitzen das Potenzial, Altbewährtes auf den Kopf zu stellen, primär aufgrund der im Vergleich zu herkömmlichen Materialien möglichen Gewichtseinsparungen. In der Praxis kann dies bei Satelliten oder unbemannten Luftfahrzeugen bis hin zu Militärflugzeugen zu Gewichtseinsparungen im zwei- bis vierstelligen Kilogrammbereich führen. Zum Beispiel:

  • Satelliten: Die Kosten für die Installation eines Satelliten in einer Erdumlaufbahn können von 10.000 bis 100.000 US-Dollar je Kilo Nutzlast reichen. Jede Gewichtseinsparung kann sich signifikant auf die Kosten auswirken oder das Mitführen von zusätzlicher wissenschaftlicher oder kommerzieller Nutzlast oder zusätzlichen Manövrierkraftstoffs zur Verlängerung der Einsatzdauer des Satelliten ermöglichen.
  • Unbemannte Luftfahrzeuge: Geringeres Gewicht bedeutet längere Flugzeiten. Große unbemannte Luftfahrzeuge tragen etwa 400 kg an Kabeln, und der Ersatz einer Metallabschirmung durch eine aus Kohlenstoff-Nanoröhren könnte 150 kg einsparen. Ein reines CNT-Kabel könnte weitere 50 kg einsparen, was das Gesamtgewicht von 400 kg auf 200 kg reduziert.
  • Bemannte Luftfahrt: Gewichtseinsparungen führen zu größerer Treibstoffeffizienz, höherer Nutzlast oder größerer Reichweite.

 

Der Nutzen von CNT-Kabeln geht weit über Anwendungen der Luft- und Raumfahrt hinaus. Gewichtseinsparungen können auch für Bodenfahrzeuge und selbst für tragbare militärische Ausrüstung von Bedeutung sein.

Das extreme Querschnittsverhältnis einer einzelnen Kohlenstoff-Nanoröhre, die bei mehreren Millimeter Länge nur wenige Nanometer Durchmesser aufweist, verleiht ihr – im Nanomaßstab – erstaunliche Eigenschaften: eine größere Zugfestigkeit als Stahl, eine höhere Leitfähigkeit als Kupfer und eine bessere Wärmeableitung als Diamant, dabei korrosionsbeständig und ermüdungsfrei. Die nachstehende Tabelle benennt die typischen Eigenschaften einer einzelnen Kohlenstoff-Nanoröhre

 

Mechanische Festigkeit CNT Stahl Aluminium
Elastizitätsmodul (TPa) 0,8 bis 1,4 0.3 0.7
Zugfestigkeit (GPa) 63 2 0.3
Dichte (g/cm³) 1.4 8 2.7
  1. Kohlenstoffnanoröhre (Englisch)

Kohlenstoffnanoröhren-Technologie

CNT-Abschirmungen

Kohlenstoff-Nanoröhren werden in einem thermischen Verfahren hergestellt und zu Garnen für Leiter sowie zu Bändern, Bögen und Garnen für Abschirmungen gebündelt.  

Das Bündeln einzelner Kohlenstoff-Nanoröhren-Litzen zu Garnen oder Bögen, um nutzbare Größen zu erhalten, verändert die Eigenschaften der Materials.  Eine einzelne Kohlenstoff-Nanoröhre besitzt eine um 30 % höhere Leitfähigkeit als Kupfer, wohingegen die Leitfähigkeit eines aus vernetzten Kohlenstoff-Nanoröhren bestehenden Garns um Größenordnungen unter der von Kupfer liegt.  Die nachstehende Abbildung zeigt die jüngsten Anstrengungen zur Verbesserung der Leitfähigkeit von CNT-Garn seit 2007.

Kohlenstoff-Nanoröhren werden in einem thermischen Verfahren hergestellt und zu Garnen für Leiter sowie zu Bändern, Bögen und Garnen für Abschirmungen Verfahren gebündelt.
Leitfähigkeitsdiagramm – Kohlenstoff-Nanoröhren

Derzeit werden CNT-Kabel aktiv für MIL-STD-1553B- und IEEE 1394-Anwendungen in Luft- und Raumfahrt sowie dem Satellitenbau entwickelt, wobei der Übergang von Prototypen zur Produktion in den kommenden Jahren erfolgen wird. Die ersten IEEE 1394-Kabel werden eine CNT-Abschirmung nutzen, wohingegen es sich bei den MIL-STD-1553B-Kabeln vermutlich um die erste vollständige CNT-Konstruktion handeln wird.

Abschirmungen auf CNT-Basis kombinieren hohes Abschirmvermögen mit signifikanten Gewichtseinsparungen. Ein zweilagiges CNT-Band bietet bei hohen Frequenzen in etwa denselben Grad an Abschirmung wie ein Kupfergeflecht – etwa 50 dB bei 4 GHz –, wiegt jedoch weniger als 2 Prozent des Geflechts, das es ersetzt.

Der hohe spezifische Widerstand von CNT-Abschirmungen geht jedoch mit einer mangelhaften Abschirmung unter 100 MHz und einem faktisch nicht vorhandenen Blitzschutz einher. Bei den in der Luft- und Raumfahrt typischerweise eingesetzten Kabeln mit doppelter Umflechtung kann bei Ersatz einer der Umflechtungen durch Kohlenstoff-Nanoröhren die verbleibende Umflechtung die Ableitung von niederfrequenten Störungen und Überspannungen (Blitzeinschlag) übernehmen, während die CNT-Abschirmung vor Störungen durch die höheren Frequenzen sorgt. Gewichtseinsparungen von 25 % bis 30 % für Hybrid-Abschirmungs-Konstruktionen.

CNT

Bereit für den großen Auftritt?

Mit den Fortschritten auf dem Weg zur Anwendung von CNT-Materialien in Kabeln gilt es zwei andere problematische Aspekte zu erwähnen. Der erste betrifft den Endverschluss von CNT-Kabeln. CNT-Leiter sind mit bestehenden Kontakten kompatibel, Endverschlüsse können mittels Standard-Crimp-Techniken – wenn auch mit modifizierten Crimpwerkzeug-Einstellungen und -Einsätzen – hergestellt werden. Tests der mechanischen Beständigkeit der Vercrimpung lassen darauf schließen, dass das CNT-Garn vor der Vercrimpung ausfällt. Abschirmungen können mittels Stahlbändern und anderer Kompressionstechniken am Steckerendgehäuse endverschlossen werden. Bänder und Garne können unter Anwendung spezieller Legierungen sogar verlötet werden.

Die zweite Herausforderung ist der Übergang vom Prototypen zur Produktion. CNT-Garne, -Bögen und -Bänder sind kommerziell in ausreichender Menge verfügbar, die Volumenproduktion der für Kabel erforderlichen langen Teile birgt jedoch noch Unwägbarkeiten. Die Produktionskapazitäten der CNT-Lieferanten steigen rapide an, jedoch weist die heutige Lieferkette typischerweise lange Lieferzeiten auf. Viele kontemporäre Anwendungen – beispielsweise Halbleiter oder Komposit-Gehäuse – verwenden Kohlenstoff-Nanoröhren mit einer Länge im Mikro- oder Millimeterbereich. Die Fertigung von Kabeln jedoch, für die es Längen im zweistelligen Meterbereich benötigt, stellt eine ganz andere Größenordnung dar.

Im Rahmen der Zusammenarbeit mit kommerziellen und akademischen Partnern bei der Verbesserung der Leitfähigkeit makroskopischer CNT-Anordnungen haben wir auch Meilen von Kohlenstoff-Nanoröhren – Leiter und Kabel – für Test- und Evaluierungszwecke produziert.

TE hat eine CNT-Pilotfabrik mit einer jährlichen Produktionskapazität von Hunderten von Meilen Leiter und Kabel errichtet. Die Handhabung von Kohlenstoff-Nanoröhren in Form von Garnen und Bändern erfordert eine Vervollkommnung der Fertigungsprozesse für Kabel zur Optimierung des Durchsatzes und der Verbesserung des Ertrags.  TE hat diese Vervollkommnungen entwickelt und kann viele verschiedene Leitungen und Kabel in großen Längen bereitstellen.

Biografisches zum Autor

Stefanie Harvey

Stefanie Harvey besitzt einen PhD in Materialtechnik und war Principal Scientist bei Global Aerospace, Defense & Marine von TE Connectivity. Sie ist Expertin für Nanotechnologie, Oberflächentechnik, Materialschnittstellen und Dünnfilmverarbeitung. Stefanie Harvey verfügt über mehr als 17 Jahre Erfahrung mit High-Tech-Lösungen, darunter Halbleiterverarbeitung, Biotechnologie und Rüstung. Sie war zudem ab 1999 außerordentliche Professorin an der San Jose State University im Bereich Biomedizin, Chemie und Materialtechnik. Im Jahr 2015 verließ sie TE, um sich anderen Aufgaben zu widmen.  

Die Kohlenstoff-Nanoröhren-Technologie verspricht eine Revolution bei elektrischen Kabeln

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Die Kohlenstoff-Nanoröhren-Technologie kann zu einer Revolution bei elektrischen Kabeln führen

Die Handhabung von Kohlenstoff-Nanoröhren in Form von Garnen und Bändern erfordert eine Vervollkommnung der Fertigungsprozesse für Kabel zur Optimierung des Durchsatzes und der Verbesserung des Ertrags.

Revolution bei Kabeln

Während die Technologie der Kohlenstoff-Nanoröhren (Carbon Nanotube Technology, CNT) ein allgemeines Interesse für Anwendungen von Halbleiter bis hin zur Medizin geweckt hat, liegt der besondere Forschungsschwerpunkt von TE Connectivity (TE) diesbezüglich bei elektrischen Hochleistungskabeln. TE ist von Anfang an an der Entwicklung von CNT zu Leitungen und Kabeln beteiligt und arbeitet dabei mit Universitäten und Branchenführern zusammen; für Evaluierungszwecke stehen Prototypenmuster bereit. Obwohl noch einige Fortschritte erzielt werden müssen, bevor CNT-Kabel breitflächig eingesetzt werden können, sind wir überzeugt, dass die Technologie für bestimmte Nischenanwendungen wie Satelliten bereits ausgereift genug ist.  

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Eine Kohlenstoff-Nanoröhre besteht aus einer oder einigen wenigen Lagen von Kohlenstoffatomen in einer zylindrischen Konfiguration.
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Die besten elektrischen Eigenschaften zeigen Nanoröhren mit nur einer oder wenigen Wänden in hochgradig ausgerichteten Strukturen.

Kabel mit CNT-Komponenten besitzen das Potenzial, Altbewährtes auf den Kopf zu stellen, primär aufgrund der im Vergleich zu herkömmlichen Materialien möglichen Gewichtseinsparungen. In der Praxis kann dies bei Satelliten oder unbemannten Luftfahrzeugen bis hin zu Militärflugzeugen zu Gewichtseinsparungen im zwei- bis vierstelligen Kilogrammbereich führen. Zum Beispiel:

  • Satelliten: Die Kosten für die Installation eines Satelliten in einer Erdumlaufbahn können von 10.000 bis 100.000 US-Dollar je Kilo Nutzlast reichen. Jede Gewichtseinsparung kann sich signifikant auf die Kosten auswirken oder das Mitführen von zusätzlicher wissenschaftlicher oder kommerzieller Nutzlast oder zusätzlichen Manövrierkraftstoffs zur Verlängerung der Einsatzdauer des Satelliten ermöglichen.
  • Unbemannte Luftfahrzeuge: Geringeres Gewicht bedeutet längere Flugzeiten. Große unbemannte Luftfahrzeuge tragen etwa 400 kg an Kabeln, und der Ersatz einer Metallabschirmung durch eine aus Kohlenstoff-Nanoröhren könnte 150 kg einsparen. Ein reines CNT-Kabel könnte weitere 50 kg einsparen, was das Gesamtgewicht von 400 kg auf 200 kg reduziert.
  • Bemannte Luftfahrt: Gewichtseinsparungen führen zu größerer Treibstoffeffizienz, höherer Nutzlast oder größerer Reichweite.

 

Der Nutzen von CNT-Kabeln geht weit über Anwendungen der Luft- und Raumfahrt hinaus. Gewichtseinsparungen können auch für Bodenfahrzeuge und selbst für tragbare militärische Ausrüstung von Bedeutung sein.

Das extreme Querschnittsverhältnis einer einzelnen Kohlenstoff-Nanoröhre, die bei mehreren Millimeter Länge nur wenige Nanometer Durchmesser aufweist, verleiht ihr – im Nanomaßstab – erstaunliche Eigenschaften: eine größere Zugfestigkeit als Stahl, eine höhere Leitfähigkeit als Kupfer und eine bessere Wärmeableitung als Diamant, dabei korrosionsbeständig und ermüdungsfrei. Die nachstehende Tabelle benennt die typischen Eigenschaften einer einzelnen Kohlenstoff-Nanoröhre

 

Mechanische Festigkeit CNT Stahl Aluminium
Elastizitätsmodul (TPa) 0,8 bis 1,4 0.3 0.7
Zugfestigkeit (GPa) 63 2 0.3
Dichte (g/cm³) 1.4 8 2.7
  1. Kohlenstoffnanoröhre (Englisch)

Kohlenstoffnanoröhren-Technologie

CNT-Abschirmungen

Kohlenstoff-Nanoröhren werden in einem thermischen Verfahren hergestellt und zu Garnen für Leiter sowie zu Bändern, Bögen und Garnen für Abschirmungen gebündelt.  

Das Bündeln einzelner Kohlenstoff-Nanoröhren-Litzen zu Garnen oder Bögen, um nutzbare Größen zu erhalten, verändert die Eigenschaften der Materials.  Eine einzelne Kohlenstoff-Nanoröhre besitzt eine um 30 % höhere Leitfähigkeit als Kupfer, wohingegen die Leitfähigkeit eines aus vernetzten Kohlenstoff-Nanoröhren bestehenden Garns um Größenordnungen unter der von Kupfer liegt.  Die nachstehende Abbildung zeigt die jüngsten Anstrengungen zur Verbesserung der Leitfähigkeit von CNT-Garn seit 2007.

Kohlenstoff-Nanoröhren werden in einem thermischen Verfahren hergestellt und zu Garnen für Leiter sowie zu Bändern, Bögen und Garnen für Abschirmungen Verfahren gebündelt.
Leitfähigkeitsdiagramm – Kohlenstoff-Nanoröhren

Derzeit werden CNT-Kabel aktiv für MIL-STD-1553B- und IEEE 1394-Anwendungen in Luft- und Raumfahrt sowie dem Satellitenbau entwickelt, wobei der Übergang von Prototypen zur Produktion in den kommenden Jahren erfolgen wird. Die ersten IEEE 1394-Kabel werden eine CNT-Abschirmung nutzen, wohingegen es sich bei den MIL-STD-1553B-Kabeln vermutlich um die erste vollständige CNT-Konstruktion handeln wird.

Abschirmungen auf CNT-Basis kombinieren hohes Abschirmvermögen mit signifikanten Gewichtseinsparungen. Ein zweilagiges CNT-Band bietet bei hohen Frequenzen in etwa denselben Grad an Abschirmung wie ein Kupfergeflecht – etwa 50 dB bei 4 GHz –, wiegt jedoch weniger als 2 Prozent des Geflechts, das es ersetzt.

Der hohe spezifische Widerstand von CNT-Abschirmungen geht jedoch mit einer mangelhaften Abschirmung unter 100 MHz und einem faktisch nicht vorhandenen Blitzschutz einher. Bei den in der Luft- und Raumfahrt typischerweise eingesetzten Kabeln mit doppelter Umflechtung kann bei Ersatz einer der Umflechtungen durch Kohlenstoff-Nanoröhren die verbleibende Umflechtung die Ableitung von niederfrequenten Störungen und Überspannungen (Blitzeinschlag) übernehmen, während die CNT-Abschirmung vor Störungen durch die höheren Frequenzen sorgt. Gewichtseinsparungen von 25 % bis 30 % für Hybrid-Abschirmungs-Konstruktionen.

CNT

Bereit für den großen Auftritt?

Mit den Fortschritten auf dem Weg zur Anwendung von CNT-Materialien in Kabeln gilt es zwei andere problematische Aspekte zu erwähnen. Der erste betrifft den Endverschluss von CNT-Kabeln. CNT-Leiter sind mit bestehenden Kontakten kompatibel, Endverschlüsse können mittels Standard-Crimp-Techniken – wenn auch mit modifizierten Crimpwerkzeug-Einstellungen und -Einsätzen – hergestellt werden. Tests der mechanischen Beständigkeit der Vercrimpung lassen darauf schließen, dass das CNT-Garn vor der Vercrimpung ausfällt. Abschirmungen können mittels Stahlbändern und anderer Kompressionstechniken am Steckerendgehäuse endverschlossen werden. Bänder und Garne können unter Anwendung spezieller Legierungen sogar verlötet werden.

Die zweite Herausforderung ist der Übergang vom Prototypen zur Produktion. CNT-Garne, -Bögen und -Bänder sind kommerziell in ausreichender Menge verfügbar, die Volumenproduktion der für Kabel erforderlichen langen Teile birgt jedoch noch Unwägbarkeiten. Die Produktionskapazitäten der CNT-Lieferanten steigen rapide an, jedoch weist die heutige Lieferkette typischerweise lange Lieferzeiten auf. Viele kontemporäre Anwendungen – beispielsweise Halbleiter oder Komposit-Gehäuse – verwenden Kohlenstoff-Nanoröhren mit einer Länge im Mikro- oder Millimeterbereich. Die Fertigung von Kabeln jedoch, für die es Längen im zweistelligen Meterbereich benötigt, stellt eine ganz andere Größenordnung dar.

Im Rahmen der Zusammenarbeit mit kommerziellen und akademischen Partnern bei der Verbesserung der Leitfähigkeit makroskopischer CNT-Anordnungen haben wir auch Meilen von Kohlenstoff-Nanoröhren – Leiter und Kabel – für Test- und Evaluierungszwecke produziert.

TE hat eine CNT-Pilotfabrik mit einer jährlichen Produktionskapazität von Hunderten von Meilen Leiter und Kabel errichtet. Die Handhabung von Kohlenstoff-Nanoröhren in Form von Garnen und Bändern erfordert eine Vervollkommnung der Fertigungsprozesse für Kabel zur Optimierung des Durchsatzes und der Verbesserung des Ertrags.  TE hat diese Vervollkommnungen entwickelt und kann viele verschiedene Leitungen und Kabel in großen Längen bereitstellen.

Biografisches zum Autor

Stefanie Harvey

Stefanie Harvey besitzt einen PhD in Materialtechnik und war Principal Scientist bei Global Aerospace, Defense & Marine von TE Connectivity. Sie ist Expertin für Nanotechnologie, Oberflächentechnik, Materialschnittstellen und Dünnfilmverarbeitung. Stefanie Harvey verfügt über mehr als 17 Jahre Erfahrung mit High-Tech-Lösungen, darunter Halbleiterverarbeitung, Biotechnologie und Rüstung. Sie war zudem ab 1999 außerordentliche Professorin an der San Jose State University im Bereich Biomedizin, Chemie und Materialtechnik. Im Jahr 2015 verließ sie TE, um sich anderen Aufgaben zu widmen.