Das Leichtgewicht unter den Stromkabeln

US-Forscher haben aus Nanotubes ein Kabel gefertigt, dessen elektrische Eigenschaften es endlich mit Kupfer aufnehmen können – bei einem Sechstel des Gewichts.

Von Kohlenstoffnanoröhren werden wahre Wunder erwartet. Eines ist das perfekte Stromkabel, weil das Röhrenmolekül Strom zehnmal besser als Kupfer leitet und dabei viel leichter ist. In der Praxis erwies sich die Verarbeitung von Nanotubes zu funktionstüchtigen Kabeln bislang jedoch als schwierig – nun haben Forscher der Rice University in Houston, Texas, das Kunststück vollbracht. Sie arbeiten bereits an einem Verfahren, um den neuen Kabeltyp in Massen zu produzieren.

Das Problem: Bündelte man die Nanoröhren zu einem Kabel, blieb von der phantastischen Leitfähigkeit der einzelnen Moleküle nicht viel übrig. Nach jahrelanger Tüftelei haben die Materialwissenschaftler Pulickel Ajayan und Enrique Barrera nun jedoch eine Lösung gefunden.

Vorbedingung ist die Wahl der richtigen Nanoröhrenform. Denn abhängig von der Geometrie der Kohlenstoffatome – die in Sechsecken angeordnet sind – und der Anzahl der Röhrenwände unterscheiden sich die mechanischen und elektrischen Eigenschaften von Nanoröhrchen erheblich. Die Rice-Forscher entschieden sich schließlich für lange, zweiwandige Nanotubes, die an der Tshinghua-Universität in Peking produziert werden. Denn je länger die Röhren sind, desto seltener müssen die Elektronen von einer zur anderen überspringen, was die Leitfähigkeit beeinträchtigt.

Ajayan und Barrera reinigen die angelieferten Nanotube-Bündel zunächst und versetzen sie dann mit Schwefelsäure. Daraufhin breitet sich das Bündel zu einem hauchdünnen Film aus. Dessen Kanten ergreifen sie nun auf zwei Seiten mit Pinzetten und beginnen gleichmäßig zu ziehen, so dass sich allmählich eine lange Faser formt. Ist sie fertig, wird die Säure weggewaschen und die Faser abschließend bei hoher Temperatur mit Iod dotiert, weil sie dadurch die Leitfähigkeit erhöht.

Die neuen Kabel vereinen viele Vorteile in sich. Sie sind mechanisch äußerst belastbar, aber so biegsam, dass man sie sogar verknoten kann. Sie können genauso viel Strom wie Kupferkabel transportieren: pro Quadratzentimeter 100.000 Ampere – bei einem Sechstel des Gewichts von Kupfer. Weil der spezifische Widerstand niedriger als der von Kupfer ist, könnten sie elektrische Energie in Überlandleitungen mit geringeren Abwärmeverlusten befördern. Vierter Pluspunkt: Das Material korrodiert nicht.

Um das so gewonnene Kabel unter normaler Netzspannung zu testen, platzierten sie es zwischen einer Lampenfassung und einer Energiesparlampe. Die leuchtete über mehrere Tage problemlos vor sich hin.

„Das ist ein Meilenstein“, lobt Michael Strano, Chemiker und Nanotube-Experte am MIT, die Arbeit.
Auch der Chemiker Ray Baughman, der seit Jahren selbst mit Nanotube-Fasern und –Folien experimentiert, ist begeistert. Weil sich mit den Kabeln bei gleicher Leistungsfähigkeit Gewicht sparen lasse, könnten besonders für den Flugzeug- und Autobau interessant werden. Kein Wunder, dass die Arbeit der Rice-Forscher unter anderem vom Luftfahrtkonzern Boeing finanziell gefördert wird.

„Wir glauben, dass sich unser Verfahren zu kontinuierlichen Fertigungsprozessen skalieren lässt“, sagt Barrera. Die Rice-Gruppe sei hierüber bereits mit verschiedenen Firmen im Gespräch.

Pulickel Ajayan will sich mit dem Erreichten allerdings noch nicht zufrieden geben. Bislang hätten sie den Stromfluss nur für kurze Entfernungen unter Netzspannung getestet. Zum einen müssten Tests für Überlandleitungen folgen, zum anderen wollten sie die Kabel weiter verbessern, so dass sie Strom noch besser leiten als Kupfer, sagt Ajayan. Das könnte mit einwandigen Nanotubes gelingen. Die sind in der Herstellung allerdings deutlich teurer als mehrwandige Nanoröhren.

Das Paper:
Zhao, Yao et al.: "Iodine doped carbon nanotube cables exceeding specific electrical conductivity of metals", Nature Scientific Reports, 6.9.2011

BU: Nanotech shines: Rice University researcher Yao Zhao demonstrates a setup that uses a carbon nanotube cable to carry standard electrical current to a fluorescent lightbulb. (nbo)