АКШда изилдөөчүлөр тобу электр трансформаторлору үчүн жыгач негизиндеги жаңы наноинженердик изоляцияны жаратышты. 

Бул илимий табылга электр энергиясын жеткирүү системасындагы глобалдык көйгөйдү чечүүгө жардам бериши керек. 

Ар кыл тармактын  өкүлдөрүнөн турган изилдөөчүлөр тобу электр энергиясынын күч трансформаторлору үчүн жыгач негизиндеги жаңы наноинженердик изоляцияны иштеп чыгышканын Йель университети (Yale University) кабарлады. 

Ал  эми окумуштуулардын илимий изилдөөсүнүн жыйынтыктары Science Advances журналында жарыяланган.

Йель университети белгилегендей, учурда дүйнөлүк электр тармагы маалымат (дата) борборлорунун, электр унааларынын жана кайра жаралуучу энергия булактарынын көбөйүшүнө байланыштуу электр энергиясына болгон суроо-талаптын кескин өсүшүнөн улам чоң басымга туш болууда.

Ошол эле учурда, жүз жылдан ашык убакыттан бери колдонулуп келе жаткан технология – күч трансформаторлору – бул олуттуу өсүштү камсыздоого тийиш. Алардын эң алсыз жери – изоляциянын бузулуу коркунучу. Бул болсо трансформаторлордун иштен чыгышынын эң кеңири тараган себептеринин бири.

Андыктан, илимпоздор учурда XXI кылымдын электр тармагына ылайык электрдик, механикалык жана жылуулук касиеттерине ээ болгон жана табигый жыгач негизиндеги материалдын жардамы менен энергетикалык системалардын бул олуттуу  көйгөйүн чечүүнү максат кылышууда. 

“Бул изилдөө эскирип бара жаткан  электр тармагына XXI кылымда аман калып гана тим болбостон, ийгиликтүү өнүгүүсүнө жыгачтын табигый түзүлүшүн так инженердик жол менен иштелип чыккан изоляция архитектурасына айландыруу аркылуу жардам бере алат”, – дейт изилдөө  тобунун  жетекчиси, Йель университетинин электр жана компьютердик инженерия, материал таануу боюнча профессору Лянбин Ху (Liangbing Hu). 

Изилдөөгө Йель университетинен тышкары Мэриленд университети (University of Maryland), Техас Остин университети (University of Texas at Austin), Брукхейвен улуттук лабораториясы (Brookhaven National Laboratory), Ренсселер политехникалык институту (Rensselaer Polytechnic Institute) жана АКШнын Айыл чарба министрлигинин Токой продуктулары лабораториясынын (USDA Forest Products Laboratory) адистери катышкан. 

Күч трансформаторлору – электр тармактарынын негизги бөлүктөрүнүн бири. 

Алар электр энергиясын электр станцияларынан үйлөргө, ишканаларга жана өнөр жай объектилерине натыйжалуу жеткирүүгө жардам берет. 

АКШнын өзүндө учурда  ири күч трансформаторлорунун көпчүлүгү 25 жылдан ашык убакыттан бери колдонулуп келет, ал эми алардын орточо иштөө мөөнөтү болгону 30 жылды түзөт. 

Электр энергиясына болгон суроо-талаптын өсүшү бул системаларга кошумча басым көрсөтүүдө. Маалымат борборлору, электр унаалары жана кайра жаралуучу энергия долбоорлору энергия керектөөнү улам көбөйтүп жатат. 

Өз кезегинде, электр менен камсыздоочу компанияларда трансформаторлордун иштөө натыйжалуулугун жогорулата турган, бирок аларды толугу менен кайра долбоорлоону талап кылбаган технологияларга  муктаждык бар. 

 

Жыгач негизиндеги жаңы изоляциянын өзгөчөлүгү

 

Йель университетинин маалыматына ылайык, бүгүнкү күндө ири трансформаторлордун көбү изоляциялык майга сиңирилген крафт кагазын колдонушат. Бул технология XIX кылымдын аягынан бери колдонулуп келет. Крафт кагазы изоляциялык майга сиңирилген целлюлоза негизиндеги кагаздан турат. 

Маселе майдын электрдик каршылыгы целлюлоза булактарына караганда төмөн экендигинде. Салттуу изоляциянын ичинде май бири-бири менен байланышкан каналдарды түзөт. Бул каналдар электрдик бузулуулардын материалдын ичинде жайылышына өбөлгө болушу мүмкүн. 

Жаңы материалды жаратууда изилдөөчүлөр башка ыкманы тандашкан. Кагаз массасынын ордуна алар табигый жыгач шпонун колдонушкан, анткени ал алдын ала уюшулган ички түзүлүшкө ээ. Дал ушул табигый түзүлүш жаңы изоляциянын дизайны үчүн негиз катары кызмат кылган.

Алгач изилдөөчүлөр жыгачтан лигнин менен гемицеллюлозанын бир бөлүгүн алып салуу үчүн жумшак щелочтуу иштетүүнү колдонушкан. Бул заттар- өсүмдүк клеткасынын дубалдарында кездешкен табигый органикалык кошулмалар. Андан кийин иштетилген жыгач изоляциялык майга сиңирилип, жогорку басым алдында кысылган.

Бул процесстин натыйжасында май менен сиңирилген, тыгыздалган жыгач же илимпоздор ODW  деп атаган  материал алынган. Кысуу учурунда жыгачтын ичиндеги чоң каналдар кыйла кичирейген. Натыйжада тыгыз целлюлоза дубалдары менен курчалган, наноөлчөмдөгү обочолонгон май каналдарынын тармагы пайда болгон.

Бул майда каналдар электрдик бузулуулардын материалдын ичинде үзгүлтүксүз өтүшүнө жол бербейт. Жөнөкөйлөтүп айтканда, мындай изоляция электрдик мүчүлүштүктөрдүн жайылышын салттуу конструкцияларга караганда кыйла натыйжалуу тосот. Ошондуктан ODW бир топ күчтүү изоляциялык касиеттерге ээ.

 

“Көп тармактуу изилдөө трансформаторлорду жакшыртууга болгон дүйнөлүк муктаждыктан улам жүргүзүлгөнү менен, бул уникалдуу материалдын жылуулук, механикалык жана электрдик касиеттери колдонмолордун кыйла кеңири чөйрөсүндө чоң өзгөрүү алып келүүчү фактор болушу мүмкүн”, – дейт изилдөө учурунда сыноолорду координациялаган илимпоз, Техас Остин университетинин ардактуу профессору Роберт Хебнер (Robert Hebner).

 

Жакшыраак муздатуу жана жабдуулардын узак кызмат мөөнөтү 

 

Йель университети белгилегендей, ODW материалынын артыкчылыктары электрдик изоляция менен гана чектелбейт. Ал физикалык жүктөмдөргө туруктуураак болуп, жылуулукту да натыйжалуу өткөрөт. Бул сапаттар трансформаторлор иштеп турган учурда көп көлөмдө жылуулук бөлүп чыгаргандыктан өтө маанилүү.

Сыноолор ODW материалынын тартылууга болгон бекемдиги салттуу жогорку тыгыздыктагы изоляция кагазына караганда 3,5 эсеге жогору экенин көрсөткөн.

Бекем изоляция трансформатор оромдорунун ичинде пайда болгон механикалык күчтөргө жакшыраак туруштук берет. Бул узак мөөнөттүү иштөө учурунда бузулуу коркунучун азайтат.

Сыноолор учурунда материал ошондой эле калыңдыгы боюнча жылуулук өткөрүмдүүлүгү 1,6 эсеге жогору экенин далилдеген. 

Жылуулукту жакшы өткөрүү трансформаторлорго ысыкты натыйжалуу чыгарууга мүмкүндүк берет. Төмөн иштөө температурасы материалдардын эскиришин жайлатып, жабдуулардын кызмат мөөнөтүн узартууга салым кошот. 

Изилдөөчүлөр 150°C температурада алты жума боюу ылдамдатылган эскирүү сыноолорун жүргүзүшкөн. 

Сыноолордон кийин ODW өзүнүн баштапкы тартылууга болгон бекемдигинин 70 пайызынан ашыгын сактаган. Эскирүүдөн кийин да анын бекемдиги салттуу изоляция материалдарына салыштырмалуу жогору бойдон калган.

Чыныгы иштөө шарттарындагы натыйжалуулукту баалоо үчүн изилдөө тобу ODW материалын изоляциялык корпус катары колдонгон жалпак трансформатордун прототибин жасап чыккан. 

Бул прототип стандарттуу пластик изоляциясы бар трансформатор менен салыштырылган. Иштөө учурунда ODW колдонулган версия болжол менен 10°Cга салкыныраак иштеген.

Төмөнкү температурада иштөө трансформаторлор үчүн абдан маанилүү, анткени жылуулук – алардын кызмат мөөнөтүн кыскарткан негизги факторлордун бири. 

Салкын режимде иштөө техникалык тейлөөгө болгон муктаждыкты азайтып, ишенимдүүлүктү жогорулатат. Бул энергетикалык компанияларга кымбат токтотуулардан жана жабдууларды алмаштыруудан качууга жардам берет.

Мындан тышкары, ODW материалын өндүрүү процесси рулондук (roll-to-roll) ыкма  менен шайкеш келет жана чийки зат катары  липа же бальза сыяктуу ар кандай жыгач түрлөрүн колдонууга мүмкүндүк берет. 

Бул жаңы материалды масштабдоонун жана ал үчүн чийки затты тандоонун ийкемдүүлүгүн камсыздайт. 

Жаңы технология май менен толтурулган салттуу трансформаторлордон тышкары да колдонулушу мүмкүн.

Изилдөөчүлөрдүн пикиринде, ошол эле долбоорлоо принциптерин кургак типтеги трансформаторлорго, электр кыймылдаткычтарына жана басма схемалуу такталарга  колдонууга болот. 

Мындай системаларда наноөлчөмдөгү  багытталган каналдар жылуулукту натыйжалуу өткөрүүнү сактоо менен бирге изоляциянын иштөө касиеттерин жакшыртат.

Йель университетинин ишениминде, жыгач негизиндеги жаңы наноинженердик изоляция – масштабдоого ылайыктуу жана экологияга зыянсыз чечим. 

Бул технология келечекте кеңири колдонулса, энергетикалык компанияларга кийинки ондогон жылдарда өсө турган энергияга болгон муктаждыкты канааттандыра ала турган, узак кызмат кылуучу трансформаторлорду курууга жардам берет.

 

Илимий жана техникалык терминдерге түшүндүрмө:

 

Электр изолятору – электр тогунун агымына каршылык көрсөткөн материал. Анын атомдору электрондорду бекем кармагандыктан, мындай материалдарда эркин заряд ташуучулар жок болот, андыктан электр тогунун алар аркылуу өтүшү өтө кыйын.

Бардык изоляция материалдары жогорку каршылыкка ээ болгону менен, алардын ар биринин бузулуу чыңалуусунун чеги бар. Эгер материал жетиштүү күчтүү электр талаасына дуушар болсо, ал өзүнүн изоляциялык касиетин жоготуп, өткөргүч болуп калат.

Изоляцияланган электр зымдары адатта кыска туташууну болтурбоосу жана колдонуучуларды электр тогу уруп кетүүсүнөн коргоо үчүн пластик же резина каптамалары колдонулат.

Жогорку чыңалуудагы электр берүү линияларын айнек же фарфордон жасалган изоляторлор кармап турат жана электр тогунун мамылар аркылуу өтүп кетишине тоскоолдук жасайт. 

 

Лигнин – өсүмдүк жана жыгач булаларын бириктирип турган, табигый “желим” катары кызмат кылган татаал органикалык полимер. 

Ал дарактарга мүнөздүү катуулук, бекемдик жана чирүүгө каршы туруктуулук берет жана жыгачтын жалпы курамынын болжол менен 25% түзөт. 

Лигнин гидрофобдук (суу түртүүчү) касиетке да ээ жана бул өсүмдүктүн өткөрүүчү (кан тамыр сымал) системасы аркылуу суу менен ширенин жүрүшүнө жардам берет. 

 

Гемицеллюлоза – жыгач үчүн маанилүү структуралык углевод, молекулалык көпүрө катары иштеп, катуу целлюлоза булаларын бири-бири менен байланыштырып, аларды гидрофобдук лигнин менен бириктирет. 

Жыгач биомассасынын 20%дан 35%га чейинки бөлүгүн түзгөн бул зат өсүмдүктүн клетка дубалына ийкемдүүлүк жана бекемдик берет. 

Толугу менен сызыктуу, кристаллдык целлюлозадан айырмаланып, гемицеллюлоза өтө бутактанган  жана молекулалык чынжырлары бир топ кыска болот. 

Гемицеллюлозанын так курамы жыгачтын түрүнө жараша өзгөрөт. 

Гемицеллюлоза жыгачтын табигый бекемдигинде маанилүү роль ойнойт. 

Бирок ал жыгач полимерлеринин ичинен химиялык жана термикалык жактан эң аз туруктуу болгондуктан, жыгач кайра иштетилгенде биринчи болуп бузулат. 

 

Басма схемалуу такта (PCB) – электрондук компоненттерди механикалык жактан кармап турган жана электрдик жактан туташтырган түзүлүш. 

Ал өткөргүч жолдор (трассалар) аркылуу иштейт, бул жолдор жез катмарынан химиялык жол менен ажыратылып алынат жана өткөрбөй турган негизге (субстратка) катмарланып жайгаштырылат.

Басма схемалуу такта – заманбап электрониканын “омурткасы”. Ал жөнөкөй калькуляторлордон тартып татаал смартфондорго чейин кеңири колдонулат.

 

Шилетемелер:

1. Маалымат макала Йель университетинин интернет баракчасындагы https://engineering.yale.edu/news-and-events/news/old-meets-new-nanotechnology-enables-new-record-transformer-insulation материалдын негизинде  жазылды. 
2. Маалымат макалага негиз болгон илимий  изилдөө Science Advances https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aed5744 журналында жарыяланган. 
3. Башкы сүрөт unsplash.com сайтынан алынды, автору Roger Starners. 
4. Макала ичиндеги сүрөт изилдөө тобуна таандык,  Science Advances журналынын  https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aed5744 интернет  баракчасынан алынды. 
5. Илимий жана техникалык терминдерге түшүндүрмөнү Эл Илим коомдук фонду  даярдады.