Según una estadística de la Universidad de Chicago, El 50 por ciento de la energía de EE. UU. Pasa por un motor. Los vehículos como los automóviles y los aviones dependen de los motores para transformar la energía, al igual que los electrodomésticos como aspiradoras y refrigeradores. Debido a que este espacio es tan grande, Los motores más eficientes podrían marcar una diferencia significativa en el uso de energía.

Cuando un motor opera para transformar energía eléctrica en energía mecánica, una corriente alterna proporciona un campo magnético a los materiales magnéticos dentro del motor. Los dipolos magnéticos luego cambian de norte a sur, y hacer que el motor gire. Este cambio de los materiales magnéticos hace que se caliente, perdiendo energía.

Pero, ¿qué pasa si el material magnético no se calienta cuando se hace girar a alta velocidad? Michael McHenry, profesor de ciencia e ingeniería de materiales (MSE) en la Universidad Carnegie Mellon, y su grupo están abordando este problema sintetizando materiales nanocompuestos amorfos metálicos (MANC), una clase de materiales magnéticos blandos que son eficientes en la transformación de energía a altas frecuencias, lo que permite que los motores más pequeños proporcionen una potencia comparable.

"La potencia de un motor depende de su velocidad, ", dijo McHenry." Cuando gira un motor a altas velocidades, el material magnético cambia a una frecuencia más alta. La mayoría de los aceros magnéticos, que es de lo que están hechos la mayoría de los motores, pierden potencia a frecuencias más altas porque se calientan ".

Actualmente, los motores se fabrican normalmente con aceros al silicio. Los MANC ofrecen una alternativa a los aceros al silicio y, debido a su alta resistividad (cuán fuertemente se oponen a una corriente eléctrica), no se calientan tanto y, por lo tanto, pueden girar a velocidades mucho más altas.

"Como resultado, puede reducir el tamaño del motor a una densidad de potencia determinada o hacer un motor de mayor potencia con el mismo tamaño, "dijo McHenry.

El grupo de McHenry, en colaboración con el Laboratorio Nacional de Tecnología Energética (NETL), Centro de Investigación Glenn de la NASA, y la Universidad Estatal de Carolina del Norte, están diseñando un motor de dos kilovatios y medio que pesa menos de dos kilogramos y medio. Más reciente, lo han evaluado en 6, 000 rotaciones por minuto y están buscando construir otras más grandes que giren aún más rápido. El diseño, que es financiado por la Oficina de Fabricación Avanzada del Departamento de Energía (DOE), combina imanes permanentes con los MANC.

Para sintetizar materiales MANC, McHenry y su equipo solidifican rápidamente los metales líquidos a aproximadamente un millón de grados por segundo. Dado que trabajan a escala de laboratorio, miran muestras de 10 gramos y las seleccionan para ver sus propiedades magnéticas. A través de varias asociaciones con instituciones de investigación asociadas y la industria, pueden tomar estos MANC y ampliar el proceso de fabricación para su uso en aplicaciones del mundo real.

Durante el proceso de transformación de potencia en un motor convencional, la magnetización de los interruptores de los materiales del motor, a menudo resulta en pérdida de energía. Pero con MANC, las pérdidas asociadas con la conmutación de la magnetización se reducen en gran medida porque son un metal vítreo en lugar de un metal cristalino. La diferencia estructural está a nivel atómico:cuando el material se funde, luego enfriado rápidamente, los átomos no tienen tiempo para encontrar posiciones en una red cristalina.

El grupo y los colaboradores de McHenry son algunos de los pocos que demuestran el uso de MANC en motores. Su diseño también utiliza exclusivamente sus propios materiales patentados:una combinación de hierro y cobalto, y hierro y níquel, mezclado con formadores de vidrio. Los MANC eficientes también permiten el uso de imanes permanentes de menor costo, que no requieren materiales críticos de tierras raras, en el diseño del motor.

Mientras que los investigadores prueban en proporciones más pequeñas a escala de laboratorio, las colaboraciones con empresas de la industria y otros laboratorios de investigación pueden llevar estos metales a escala para su uso en la industria.

"Eventualmente podremos ir a velocidades y potencias más altas con estos diseños, ", dijo McHenry." En este momento estamos evaluando un motor más pequeño, y luego intentaremos construir otros más grandes. Los motores tienen aeroespacial, vehículo, e incluso aplicaciones de aspiradoras:los motores son importantes en muchas aplicaciones. Además, Los motores representan un gran uso de energía eléctrica, por lo que son un área donde la eficiencia puede marcar una gran diferencia ".