재설계된 알루미늄이 구리 수요를 충족하는 데 도움이 될 수 있습니까?

그레고리 바버

잠시 잊어버리기 쉬운 널리 사용되는 기술인 전선을 생각해 보십시오. 우리 장치 내부에 감겨 있고, 벽을 감싸고, 거리를 따라 늘어져 있는 수백만 톤의 얇은 금속 실이 세상을 전기로 바꾸는 일을 합니다. 하지만 그들의 작업은 온화하고 너무 자연스러워서 전혀 기술처럼 느껴지지 않습니다. 와이어는 전류가 공급될 때 금속이 하는 일이기 때문에 전자를 이동시킵니다. 즉, 전도됩니다.

그러나 항상 개선의 여지가 있습니다. 금속은 특정 원자에 묶여 있지 않은 자유 전자를 포함하고 있기 때문에 전기를 전도합니다. 더 많은 전자가 흐르고 더 빠르게 이동할수록 금속의 전도성이 좋아집니다. 따라서 발전소에서 생산되거나 배터리 내에 저장되는 에너지를 보존하는 데 중요한 전도성을 개선하기 위해 재료 과학자들은 일반적으로 보다 완벽한 원자 배열을 찾고 있습니다. 이들의 주요 목표는 순수성, 즉 흐름을 방해하는 이물질이나 불완전성을 제거하는 것입니다. 금 덩어리가 금일수록 구리선은 구리일수록 전도성이 더 좋아집니다. 다른 것은 방해가 됩니다.

Pacific Northwest National Lab의 재료 과학자인 Keerti Kappagantula는 “정말 전도성이 높은 것을 원한다면 순수하게 선택하면 됩니다.”라고 말했습니다. 이것이 바로 그녀가 자신의 연구를 "이상하다"고 생각하는 이유입니다. 그녀의 목표는 금속을 덜 순수하게 만들어 금속의 전도성을 높이는 것입니다. 그녀는 알루미늄과 같은 금속에 그래핀이나 탄소 나노튜브와 같은 첨가물을 넣어 합금을 만들 것입니다. 카파간툴라(Kappagantula)는 올바른 방법으로 그렇게 하면 추가 재료가 이상한 효과를 가질 수 있다는 것을 발견했습니다. 즉, 금속을 이론적인 전도도 한계 이상으로 밀어낼 수 있다는 것입니다.

이 경우의 핵심은 전기 장치에서 구리와 경쟁할 수 있는 알루미늄을 만드는 것입니다. 구리는 전도성이 거의 두 배이지만 가격도 두 배나 비쌉니다. 알루미늄에는 장점이 있습니다. 구리보다 훨씬 가볍습니다. 그리고 지각에서 가장 풍부한 금속(구리보다 1000배 더 많음)으로, 더 저렴하고 발굴하기도 쉽습니다.

반면, 구리는 세계가 친환경 에너지로 전환함에 따라 공급이 점점 더 어려워지고 있습니다. 배선과 모터는 오랫동안 널리 사용되었지만 이에 대한 수요가 급증하고 있습니다. 전기 자동차는 기존 자동차보다 약 4배 많은 구리를 사용하며, 재생 가능한 발전소의 전기 부품과 이를 그리드에 연결하는 전선에는 훨씬 더 많은 구리가 필요합니다. 에너지 중심 연구 회사인 Wood Mackenzie의 분석가들은 해상 풍력 발전 단지가 10년 동안 5.5메가톤의 금속을 수요할 것으로 추정했는데, 이는 주로 발전기 내부의 대규모 케이블 시스템과 터빈이 생산한 전자를 해안으로 운반하는 데 사용됩니다. 최근 몇 년 동안 구리 가격이 급등했으며 분석가들은 금속 부족 현상이 점점 더 심해질 것으로 예상하고 있습니다. Goldman Sachs는 최근 이를 “새로운 석유”라고 선언했습니다.

일부 회사에서는 이미 가능한 한 알루미늄으로 교체하고 있습니다. 최근 몇 년 동안 에어컨부터 자동차 부품까지 모든 구성 요소에 수십억 달러의 변화가 있었습니다. 고전압 전력선은 이미 알루미늄 전선을 사용하고 있는데, 그 이유는 가격이 저렴하고 가벼워 장거리 연결이 가능하기 때문입니다. 그 알루미늄은 일반적으로 가장 순수하고 전도성이 높은 형태입니다.

킴 제터

매트 버제스

릴리 헤이 뉴먼

아드리엔 소

그러나 이러한 전환은 최근 둔화되었습니다. 부분적으로는 알루미늄이 가장 적합한 응용 분야에 대해 이미 교체가 이루어졌기 때문이라고 Wood Mackenzie의 구리 시장 수석 분석가인 Jonathan Barnes는 말합니다. 더 넓은 범위의 전기 응용 분야에 사용하려면 전도성이 주요 제한 사항입니다. 이것이 Kappagantula와 같은 연구자들이 금속을 재설계하려는 이유입니다.

엔지니어들은 일반적으로 강도나 유연성과 같은 금속의 다른 특성을 향상시키기 위해 합금을 설계합니다. 그러나 이러한 혼합물은 순수한 물질보다 전도성이 떨어집니다. 특정 첨가제가 전기 수송에 특히 뛰어나더라도(Kappagantula가 사용하는 탄소 기반 재료의 경우) 합금 내의 전자는 일반적으로 한 재료에서 다른 재료로 이동하는 데 문제가 있습니다. 그들 사이의 인터페이스가 걸림돌입니다.