迫りくる銅不足：アルミニウムかカーボンナノチューブが救いか？

1960 年代または 1970 年代初頭の住宅でアルミニウムの配線に対処しなければならなかった人にとって、配線にアルミニウムが使用されていると笑顔になる可能性は低いでしょう。火災やその他の事故の背後にある原因は無数にあり、その中には、アルミニウムの高い熱膨張、酸化アルミニウムの電気絶縁性、ねじったときのアルミニウムの一般的な脆さへの対処の失敗が含まれていました。

銅は導電性と設置の容易さの点でアルミニウムよりも優れていますが、銅の価格は 1970 年代以来高騰しており、まさに月に飛び立つ寸前です。その大きな理由は、風力タービンや電気自動車の大規模導入によって、エレクトロニクスや電気モーターから発電機に至るまであらゆるものにおける銅の使用量が増加していることです。

世界が電気自動車の使用と風力タービンの設置を大幅に拡大しようとしているため、銅の需要は現在の銅の供給を上回ると予測されています。その結果、アルミニウムが大きな利益を生む可能性が高いため、銅被覆アルミニウムやカーボンベースの代替品の使用など、現代のアルミニウムベースの配線を検討する価値があります。

振り返ってみると、以下の過去 45 年間の銅価格のグラフからわかるように、1960 年代と 1970 年代の銅価格はまだそれほど悪くはありませんでした。

これらの価格上昇は主に、電気自動車や風力タービンに対する需要の増加によって引き起こされており、今後数年間でその需要は加速し、既存の供給にさらなる圧力をかけることが予想されます。 USGS は、おそらく未発見の銅資源を特定しましたが、これには採掘事業の確立が必要であり、すべての銅鉱石を経済的に採掘して生の銅に変えることができるわけではありません。

今年初め、国際エネルギー機関（IEA）は、エネルギーの低炭素源への移行における重要な鉱物の役割に関する報告書を発表した。このレポートから抜粋した以下の画像では、電源の種類ごと、定格出力容量ごとの相対的な金属要件と、従来の (ICE) 車と比較した電気自動車 (EV) の材料要件を確認できます。

一方、現在の持続可能な開発政策を同時に考慮した銅の予想需要曲線は、現在の銅鉱山の生産量と予想される新規採掘事業と対比して、以下の図のようになると予想されます。

当然のことながら、このような政策の多くは 2000 年頃に施行されて以来、他の産業からの需要の増加と並行して、銅の価格は着実に上昇しており、将来の住宅所有者が銅線を設置するかアルミニウム配線を設置するかを決定するに至った 1960 年代の高値をはるかに超えています。

このままでは、数年以内に銅の一般的な使用は終わりを迎え、簡単に入手できるようになるかもしれません。同時に、銅の特性が特定の用途には最適であるため、代替品で問題ない他の用途については、別の用途を検討する必要があるかもしれません。これはおそらく、家の配線から顧客の電子機器に至るまで、あらゆるものがすぐに銅市場から値上がりする可能性があることを意味します。代替品にはどのようなものがありますか?銅との比較はどうですか?

銅はさまざまな理由で電気配線に好まれており、その中でも特に優れた熱伝導性と電気伝導性が挙げられます。これが、銅がヒートシンクや住宅と電気機器の電気配線に好まれる材料である理由です。比較すると、純アルミニウムの導電率は断面で銅の 61% にすぎません。

しかし、アルミニウムには銅よりも大きな利点が 1 つあります。それは、室温での銅の密度が 8.96 g/cm3 であるのに対し、アルミニウムは 2.70 g/cm3 であるため、質量で 2 倍の導電性があることです。このため、送電配線や配電配線など、重量がより重要視される用途に使用されます。特に、鉄塔間に大きなケーブルの束を配線する場合、アルミニウムのコンダクタンス対重量比が高いため、大きな利点が得られます。

適切に取り付けて使用する場合、アルミニウムは導電体として優れた選択肢ですが、それが唯一の選択肢であるという意味ではありません。 1970 年代以降の配線でよく見られるのは、銅被覆アルミニウム (CCA) ワイヤです。これは基本的にその名前が示すとおり、銅で覆われたアルミニウムのコアであり、バイメタルになっています。 CCA の主な目標は、銅とアルミニウムの両方の利点を 1 本のワイヤに組み合わせることであり、これは、設置方法が銅線の場合と同じであるため、アルミニウムの落とし穴を回避しながら、銅のような導電性に近づけることを意味します。

フジクラが CCA (CAW とも呼ばれます) についてリストした仕様を見ると、CCA は純銅線ほどではありませんが、純アルミニウム線よりは大幅に優れていることがわかります。これに、熱クリープのほぼ解消と、銅と互換性のある結線方法および技術との互換性という点で、銅スキンが追加する大きな利点を加えると、両方の優れた代替手段となるように思われます。

興味深いことに、IAEI マガジンによるアルミニウム建築配線の歴史に関する優れた記事に記載されているように、CCA はしばらくの間、特に建築配線に関して銅配線とアルミニウム配線の両方と競合してきました。この記事で追加される重要な詳細は、CCA の作成にはかなりの労力がかかるということです。つまり、CCA の人気は常に現在の銅価格に依存していることを意味します。

IAEI は、銅価格は 2005 年末まではまだかなり低かったが (以前の過去の銅価格グラフで示されているように)、それ以降、CCA が銅と非常に競争力のある水準まで上昇したと指摘しています。

導電体に関しては、CCA は材料科学の頂点ではありません。カーボンナノチューブ (CNT) などの炭素ベースの構造は、グラフェンと同様、銅よりもはるかに高い導電率を持っています。主な問題は、それらからワイヤーを作るのがまったく簡単ではないことです。しかし、それらがアルミニウムのような金属と融合できたり、さらにはワイヤーに紡がれたりできたらどうなるでしょうか?

Lekawa-Raus らによる記事。 2014 年に出版された「カーボンナノチューブベースの繊維の電気的特性と電気配線におけるその将来の使用」というタイトルの論文では、CNT ワイヤに紡ぐことができる CNT 繊維の製造に関する当時の研究文献を調査しています。研究によると、これらのワイヤは優れた導電性と重量を備え、あらゆる点で銅やアルミニウムをはるかに上回ります。

これらの CNT ワイヤの接続は、当時ケンブリッジで開発中だったカーボンはんだを使用して処理できます。それでも、適切な形態を備えた完璧な CNT を製造するには、特に実験室から工業環境に移された場合に多くの課題が残されました。これらの懸念の多くは、Cesanoらが2020年になっても残っている。別のレビュー研究を実施しました。彼らは、この間に進歩はあったものの、フルカーボンワイヤは依然として将来の見通しであると指摘しています。

それでも、CNT 繊維は、銅や銀や金などの他の金属との CNT 複合材料と同様に、まったく法外な金額で商業的に購入できます。 Zhangらによる最近の研究。 (2018)、プラダン他。 (2020) および Chyada et al。 (2017) は、グラフェン - アルミニウム複合材料の熱伝導率と電気伝導率、および引張強度がそれぞれ向上していることを示しています。

CNT の添加は、Nyanor らの研究により、アルミニウム部品の機械的強化など、他の用途でも使用できることがわかっています。 (2020) では、CNT およびミクロンサイズの炭化チタン (TiC) 粒子で強化されたアルミニウムマトリックスについて詳しく説明しています。これにより純アルミニウムの2.3倍の硬度を持ち、耐摩耗性が大幅に向上した素材が誕生しました。

日本の矢崎総業は、今後のワイヤー製品での使用を目的としたAl-CNT複合材料に関する多数の特許を申請している。一方、Tirupati Graphite Plc は、銅と同様の導電性、銅よりも優れた熱伝導性、銅よりも優れた微小硬度を備えた Al-グラフェン複合材料についての主張を行っています。

今後数年間、銅価格が高騰する可能性があるため、利用可能な代替手段をよく検討することが適切と思われます。 CCA が銅の代替品として受け入れられるかどうかは多くの要因によって異なりますが、住宅配線やその他の用途で過去 50 年間に入手可能な実際の使用状況データにより、少なくとも既知の量です。

おそらく、より刺激的なのは、銅と比較して単なるトレードオフ以上のものを提供するグラフェンと CNT ベースの配線の見通しです。むしろ、これらは、所定の断面積と重量の両方において、より優れた導電性、より高い引張強度、より高い耐食性、およびより高い導電性を備え、実際にあらゆる点で優れた銅の代替品となる可能性があります。

愛好家の観点から見ると、コストの観点と扱いやすさを考慮すると、おそらく CCA が最終的に最終的に選ばれる可能性が最も高い選択肢になります。標準のはんだ合金を使用したはんだ付けを含め、銅線と同様に動作し、処理できるため、直径の小さなバンプだけで銅線を置き換えて、悪い電気伝導性を補うことができます。

しかし、将来の世代がプロジェクトを CNT ワイヤーとカーボンベースのはんだで配線するとしたら、それはかなり素晴らしいことでしょう。私たちの未来にはさらに多くの炭素が含まれます。