Secondo una statistica dell'Università di Chicago, Il 50 percento dell'energia degli Stati Uniti passa attraverso un motore. Veicoli come automobili e aerei si affidano ai motori per trasformare la potenza, così come gli elettrodomestici come aspirapolvere e frigoriferi. Perché questo spazio è così grande, motori più efficienti potrebbero fare una differenza significativa nel consumo di energia.

Quando un motore opera per trasformare l'energia elettrica in energia meccanica, una corrente alternata fornisce un campo magnetico ai materiali magnetici all'interno del motore. I dipoli magnetici passano quindi da nord a sud, e far girare il motore. Questa commutazione dei materiali magnetici provoca il riscaldamento, perdere energia.

Ma cosa succede se il materiale magnetico non si riscalda quando viene filato ad alta velocità? Michael McHenry, un professore di scienza e ingegneria dei materiali (MSE) presso la Carnegie Mellon University, e il suo gruppo stanno affrontando questo problema sintetizzando materiali nanocompositi amorfi metallici (MANC), una classe di materiali magnetici morbidi che sono efficienti nel trasformare l'energia alle alte frequenze consentendo ai motori più piccoli di fornire una potenza paragonabile.

"La potenza di un motore dipende dalla sua velocità, " disse McHenry. "Quando si ruota un motore ad alta velocità, il materiale magnetico commuta ad una frequenza più alta. La maggior parte degli acciai magnetici, che è ciò di cui sono fatti la maggior parte dei motori, perdono potenza alle frequenze più alte perché si surriscaldano."

Attualmente i motori sono tipicamente realizzati con acciai al silicio. I MANC forniscono un'alternativa agli acciai al silicio e, a causa della loro elevata resistività (quanto si oppongono fortemente a una corrente elettrica), non si scaldano così tanto e possono quindi girare a velocità molto più elevate.

"Di conseguenza, puoi ridurre le dimensioni del motore a una data densità di potenza o realizzare un motore di potenza maggiore con le stesse dimensioni, " ha detto McHenry.

Il gruppo di McHenry, in collaborazione con il National Energy Technology Laboratory (NETL), NASA Glenn Research Center, e la North Carolina State University, stanno progettando un motore da due chilowatt e mezzo che pesa meno di due chilogrammi e mezzo. Più recentemente, l'hanno valutato a 6, 000 rotazioni al minuto e stanno cercando di costruirne di più grandi che gireranno ancora più velocemente. Il design, che è finanziato dal Dipartimento dell'Energia (DOE) Advance Manufacturing Office, combina i magneti permanenti con i MANC.

Per sintetizzare i materiali MANC, McHenry e il suo team solidificano rapidamente i metalli liquidi a circa un milione di gradi al secondo. Dal momento che lavorano su scala di laboratorio, guardano campioni da 10 grammi e li selezionano per le loro proprietà magnetiche. Attraverso varie partnership con istituti di ricerca partner e industria, possono prendere questi MANC e aumentare il processo di fabbricazione per l'uso in applicazioni del mondo reale.

Durante il processo di trasformazione della potenza in un motore convenzionale, la magnetizzazione degli interruttori dei materiali del motore, spesso con conseguente perdita di potenza. Ma con i MANC, le perdite associate alla commutazione della magnetizzazione sono notevolmente ridotte perché sono un metallo vetroso piuttosto che un metallo cristallino. La differenza strutturale è a livello atomico:quando il materiale è fuso, poi rapidamente raffreddato, gli atomi non hanno il tempo di trovare posizioni in un reticolo cristallino.

Il gruppo e i collaboratori di McHenry sono tra i pochi a dimostrare l'uso dei MANC nei motori. Il loro design utilizza anche i propri materiali brevettati, una combinazione di ferro e cobalto, e ferro e nichel, mescolato con formatori di vetro. Gli efficienti MANC consentono anche l'uso di magneti permanenti a basso costo, che non richiedono materiali critici di terre rare, nella progettazione del motore.

Mentre i ricercatori testano in proporzioni più piccole su scala di laboratorio, collaborazioni con aziende dell'industria e altri laboratori di ricerca possono portare questi metalli su scala per l'uso nell'industria.

"Alla fine possiamo raggiungere velocità e potenze più elevate con questi progetti, " ha detto McHenry. "In questo momento stiamo confrontando un motore più piccolo, e poi proveremo a costruirne di più grandi. I motori hanno l'aerospaziale, veicolo, e persino applicazioni per aspirapolvere:i motori sono importanti in qualsiasi numero di applicazioni. In aggregato, i motori rappresentano un enorme consumo di energia elettrica, quindi sono un'area in cui l'efficienza può fare una grande differenza."