Poprawa sprawności przyszłych urządzeń elektrycznych
Małe silniki elektryczne, które otaczają nas ze wszystkich stron i są stosowane zarówno w przenośnikach taśmowych, jak i w elektrycznych szczoteczkach do zębów, dosłownie napędzają nasz współczesny świat. Biorąc pod uwagę ich liczbę, nawet niewielka poprawa efektywności energetycznej może nieść za sobą istotne skutki. Z tego powodu wiele badań skupiało się na zjawisku strat rdzenia. Chodzi o energię elektryczną traconą w postaci ciepła w rdzeniu magnetycznym tych urządzeń. Ze względu na to, że działanie silników elektrycznych opiera się na zmiennych polach magnetycznych, występują ciągłe straty energii.
Amorficzne stopy o właściwościach zbliżonych do szkła
Zespół finansowanego ze środków Europejskiej Rady ds. Innowacji(odnośnik otworzy się w nowym oknie) projektu AM2SoftMag(odnośnik otworzy się w nowym oknie) postawił sobie za cel rozwiązanie tego problemu poprzez udoskonalenie materiałów stosowanych w silnikach elektrycznych. „W konwencjonalnych silnikach elementy stojana i wirnika są wykonane ze stopów żelaza o właściwościach magnetycznych i gruboziarnistej strukturze”, wyjaśnia Ralf Busch, koordynator projektu AM2SoftMa i wykładowca Uniwersytetu Kraju Saary(odnośnik otworzy się w nowym oknie) w Niemczech. „Chcieliśmy zastąpić tradycyjne stopy krystaliczne stopami amorficznymi o właściwościach zbliżonych do szkła, które podczas ponownego namagnesowania w zasadzie nie tracą energii”. Wbrew temu, co może sugerować nazwa, szkło metaliczne wcale nie jest kruche. Wręcz przeciwnie – jest znacznie wytrzymalsze od stali. Termin „szkło” odnosi się w tym wypadku do wewnętrznej struktury tego materiału, która jest amorficzna – oznacza to, że nie ma w niej sieci krystalicznej. „W typowych metalach atomy ułożone są w uporządkowane sieci krystaliczne”, dodaje Busch. „W szkłach metalicznych atomy tworzą nieuporządkowany i bezkształtny układ”.
Silniki elektryczne wykonane w technologii druku 3D
Aby opracować urządzenia oparte na tych materiałach, zespół wykorzystał technologię obróbki przyrostowej znaną wszystkim pod nazwą druku 3D. W celu drukowania silników elektrycznych o wysokiej sprawności przeznaczonych do małych urządzeń zespół wykorzystał sproszkowane stopy metali amorficznych o właściwościach magnetycznych. W ramach projektu badacze przeanalizowali setki potencjalnych stopów i zbadali je pod kątem odporności na krystalizację. Idealny stop musiał nie tylko ulegać zeszkleniu, ale także musiał pozwalać na wykorzystanie obróbki przyrostowej. Badania zaowocowały wskazaniem trzech odpowiednich stopów. Pierwszym krokiem procesu produkcji jest stopienie sproszkowanego metalu za pomocą lasera, a następnie jego kontrolowane chłodzenie. Proces ten umożliwia stopniowe uzyskiwanie warstw o grubości 50 mikrometrów, z których powstają elementy silnika wykonane w całości z amorficznego szkła metalicznego, pozbawione struktur krystalicznych. Dzieje się tak, ponieważ utrwalenie tych atomów w miejscu powoduje, że zostają one unieruchomione, zanim zdąży powstać sieć krystaliczna, w wyniku czego powstaje szkło metaliczne. Bez sieci krystalicznej proces ponownego namagnesowania przebiega łatwiej, co znacznie ogranicza straty energii.
Niższe zużycie energii
Projekt AM2SoftMag stanowi ważny krok naprzód w zakresie zwiększania sprawności przyszłych urządzeń elektrycznych. Kolejnym istotnym rezultatem badań jest wykazanie, że dzięki zastosowaniu metali amorficznych producenci nie będą już musieli zmagać się z przetwarzaniem kluczowych pierwiastków stopowych, w tym kobaltem. Minerał ten jest bowiem wydobywany w regionach świata, w których występują napięcia geopolityczne i niebezpieczne warunki pracy. Dalsze prace będą polegały na rozszerzeniu skali procesu, aby uzyskać niezawodną produkcję na skalę przemysłową. Lista potencjalnych użytkowników końcowych jest długa, biorąc pod uwagę zapotrzebowanie na silniki elektryczne. Jak zauważa Busch, przykładowy luksusowy samochód może wykorzystywać wiele takich silników do ustawiania foteli kierowcy i pasażerów. „Wystarczy zmienić surowiec, aby zmniejszyć zużycie energii całej gamy silników elektrycznych stosowanych na co dzień. W praktyce może oznaczać to na przykład zwiększenie zasięgu hulajnóg elektrycznych czy dronów”, mówi.
