Trasformazione del potere. Elettrificazione dei veicoli. Creare motori efficienti. Alcune delle più grandi tecnologie del futuro si basano sulla ricerca di modi per trasformare in modo efficiente l'energia. E la spina dorsale che consente lo sviluppo di queste tecnologie è il campo dei materiali avanzati.
Alla Carnegie Mellon University, Il professore di scienza e ingegneria dei materiali Mike McHenry e il suo gruppo di ricerca stanno sviluppando materiali nanocompositi amorfi metallici (MANC), o materiali magnetici i cui nanocristalli sono stati cresciuti da una matrice amorfa per creare un materiale magnetico bifase che sfrutta sia le attraenti induzioni magnetiche dei nanocristalli sia la grande resistenza elettrica di un vetro metallico. Quando si opera ad alte frequenze, questi materiali MANC offrono un'efficienza energetica molto elevata, a causa delle loro basse perdite di energia, un componente essenziale per trasformare l'energia.
Diverse composizioni MANC possono essere applicate a varie applicazioni, ma sono state recentemente adottate nei trasformatori di potenza che verranno utilizzati per portare energia rinnovabile alla rete. Questi trasformatori hanno bisogno di materiali magnetici per raccogliere energia solare o eolica, poi trasformarlo in una potenza che può essere immagazzinata e immessa in rete.
Tipicamente, gli acciai al silicio utilizzati per trasformare l'energia hanno perdite alle alte frequenze, il che significa che perdono energia quando eccitati con campi di corrente alternata ad alta frequenza. Ma il materiale di McHenry non soffre di questo problema. È altamente efficiente e perde poca energia, anche a frequenze che raggiungono le decine di kHz. La natura senza perdite del materiale consente applicazioni ad alta densità di potenza come induttori e trasformatori di rete elettrica, motori per veicoli elettrici, e anche potenzialmente per motori che spingono aerei e razzi nello spazio.
Per sintetizzare questi materiali, Il team di McHenry pesa i componenti in lega combinando ferro, cobalto, e nichel, miscelato con formatori di vetro in rapporti ottimizzati per ottenere desiderabili magnetici, proprietà elettriche e meccaniche. Prossimo, usano un crogiolo per fondere il materiale e gettare il metallo fuso su una ruota di rame rotante usando una tecnica chiamata colata a flusso planare. La lega fusa forma un bagno di fusione sulla ruota di colata in lega di rame. La grande massa termica della ruota estrae rapidamente calore dal materiale, raffreddando il metallo liquido a circa 1 milione di gradi al secondo. A quei tassi di solidificazione, gli atomi non hanno il tempo di trovare posizioni in un reticolo cristallino. Il materiale metastabile risultante è un vetro metallico, un materiale la cui struttura isotropa rende facile commutare la magnetizzazione senza perdere energia, perfetto per l'uso in applicazioni ad alta potenza.
"In ognuno dei progetti su cui lavoriamo, impariamo qualcosa in più, " ha detto McHenry.
Il laboratorio di McHenry è forte in questo metodo di sintesi, chiamato solidificazione rapida, che fa parte della fase di sintesi del paradigma della scienza dei materiali (sintesi, struttura, proprietà, e prestazioni). Il suo laboratorio è in grado di creare questi materiali, o scopri il metodo migliore per creare questi materiali, quindi lavora con altri presso laboratori nazionali e industrie per ampliarlo per l'uso in applicazioni del mondo reale.
Attualmente, McHenry e il suo team stanno collaborando con il National Energy Technology Laboratory (NETL), NASA Glenn Research Center, Università statale della Carolina del Nord, e Eaton Corporation su un progetto finanziato dal Dipartimento dell'Energia per creare trasformatori ad alta densità per portare energia rinnovabile alla rete elettrica. Il progetto, un convertitore fotovoltaico a tre porte, aumenta la densità di potenza e consente alla fonte di energia fotovoltaica di connettersi direttamente al trasformatore che si collega al dispositivo di accumulo.
"Lavoriamo su una miriade di geometrie, " ha detto McHenry. "Il nostro lavoro è creare materiali, poi consegnalo alle persone che lo utilizzeranno nei loro prodotti. Sono davvero i materiali che consentono applicazioni di potenza ed energia; tutti stanno cavalcando il cavallo dello sviluppo dei materiali."
