Transformación de poder. Electrificación de vehículos. Creando motores que sean eficientes. Algunas de las tecnologías más importantes del futuro se basan en encontrar formas de transformar la energía de manera eficiente. Y la columna vertebral que permite el desarrollo de estas tecnologías es el campo de los materiales avanzados.
En la Universidad Carnegie Mellon, El profesor de ciencia e ingeniería de materiales Mike McHenry y su grupo de investigación están desarrollando materiales nanocompuestos amorfos metálicos (MANC), o materiales magnéticos cuyos nanocristales han crecido a partir de una matriz amorfa para crear un material magnético de dos fases que explota tanto las atractivas inducciones magnéticas de los nanocristales como la gran resistencia eléctrica de un vidrio metálico. Cuando se opera a altas frecuencias, estos materiales MANC ofrecen una eficiencia energética muy alta, por sus bajas pérdidas de energía, componente esencial para transformar la energía.
Se pueden aplicar diferentes composiciones de MANC a diversas aplicaciones, pero las más recientes se han adoptado en transformadores de potencia que se utilizarán para llevar energía renovable a la red. Estos transformadores necesitan materiales magnéticos para recolectar energía solar o eólica, luego conviértalo en una energía que se pueda almacenar y alimentar a la red.
Típicamente, los aceros al silicio utilizados para transformar la energía tienen pérdidas a altas frecuencias, lo que significa que pierden energía cuando se excitan con campos de corriente alterna de alta frecuencia. Pero el material de McHenry no sufre este problema. Es muy eficiente y pierde poca energía, incluso a frecuencias que alcanzan decenas de kHz. La naturaleza sin pérdidas del material permite aplicaciones de alta densidad de potencia, como inductores y transformadores de la red eléctrica, motores de vehículos eléctricos, e incluso potencialmente para motores que propulsan aviones y cohetes en el espacio.
Para sintetizar estos materiales, El equipo de McHenry pesa componentes de aleación que combinan hierro, cobalto, y níquel, mezclado con formadores de vidrio en proporciones optimizadas para lograr un magnético deseable, propiedades eléctricas y mecánicas. Próximo, utilizan un crisol para fundir el material y verter el metal fundido en una rueda de cobre giratoria utilizando una técnica llamada fundición de flujo plano. La aleación fundida forma un baño de fusión en la rueda de fundición de aleación de cobre. La gran masa térmica de la rueda extrae rápidamente el calor del material, enfriar el metal líquido a aproximadamente 1 millón de grados por segundo. A esas tasas de solidificación, los átomos no tienen tiempo para encontrar posiciones en una red cristalina. El material metaestable resultante es un vidrio metálico, un material cuya estructura isotrópica facilita el cambio de magnetización sin perder energía. perfecto para usar en aplicaciones de alta potencia.
"En cada uno de los proyectos en los que trabajamos, aprendemos algo más, "dijo McHenry.
El laboratorio de McHenry es fuerte en este método de síntesis, llamado solidificación rápida, que forma parte de la etapa de síntesis del paradigma de la ciencia de los materiales (síntesis, estructura, propiedades, y rendimiento). Su laboratorio puede crear estos materiales, o descubre el mejor método para crear estos materiales, luego trabaja con otros en laboratorios e industrias nacionales para escalarlo y usarlo en aplicaciones del mundo real.
En la actualidad, McHenry y su equipo están colaborando con el Laboratorio Nacional de Tecnología Energética (NETL), Centro de Investigación Glenn de la NASA, Universidad Estatal de Carolina del Norte, y Eaton Corporation en un proyecto financiado por el Departamento de Energía para crear transformadores de alta densidad para llevar energía renovable a la red eléctrica. El proyecto, un convertidor fotovoltaico de tres puertos, aumenta la densidad de potencia y permite que la fuente de energía fotovoltaica se conecte directamente al transformador que se conecta al dispositivo de almacenamiento.
"Trabajamos en una gran variedad de geometrías, ", dijo McHenry." Nuestro trabajo es crear materiales, luego entréguelo a las personas que lo usarán en sus productos. En realidad, son los materiales los que permiten las aplicaciones de potencia y energía; todo el mundo está montando el caballo de desarrollo de los materiales ".
