Kracht transformatie. Elektrificatie van voertuigen. Motoren maken die efficiënt zijn. Enkele van de grootste technologieën van de toekomst berusten op het vinden van manieren om energie efficiënt te transformeren. En de ruggengraat die de ontwikkeling van deze technologieën mogelijk maakt, is het gebied van geavanceerde materialen.

Aan de Carnegie Mellon-universiteit, Materials Science and Engineering Professor Mike McHenry en zijn onderzoeksgroep ontwikkelen metalen amorfe nanocomposietmaterialen (MANC), of magnetische materialen waarvan de nanokristallen zijn gegroeid uit een amorfe matrix om een ​​tweefasen magnetisch materiaal te creëren dat zowel de aantrekkelijke magnetische inducties van de nanokristallen als de grote elektrische weerstand van een metallisch glas benut. Bij gebruik op hoge frequenties, deze MANC-materialen bieden een zeer hoge energie-efficiëntie, vanwege hun lage energieverliezen - een essentieel onderdeel voor het transformeren van energie.

Verschillende MANC-samenstellingen kunnen voor verschillende toepassingen worden toegepast, maar zijn recentelijk toegepast in stroomtransformatoren die zullen worden gebruikt om hernieuwbare energie op het net te brengen. Deze transformatoren hebben magnetische materialen nodig om zonne- of windenergie te oogsten, zet het vervolgens om in een vermogen dat kan worden opgeslagen en aan het net kan worden geleverd.

Typisch, siliciumstaal dat wordt gebruikt om energie te transformeren, heeft verlies bij hoge frequenties, wat betekent dat ze energie verliezen wanneer ze worden geëxciteerd met hoogfrequente wisselstroomvelden. Maar het materiaal van McHenry heeft geen last van dit probleem. Het is zeer efficiënt en verliest weinig energie, zelfs bij frequenties die tientallen kHz bereiken. De verliesvrije aard van het materiaal maakt toepassingen met een hoge vermogensdichtheid mogelijk, zoals inductoren en transformatoren van het elektriciteitsnet, elektrische voertuigmotoren, en mogelijk zelfs voor motoren die vliegtuigen en raketten in de ruimte voortstuwen.

Om deze materialen te synthetiseren, Het team van McHenry weegt legeringscomponenten die ijzer, kobalt, en nikkel, gemengd met glasvormers in verhoudingen die zijn geoptimaliseerd om de gewenste magnetische, elektrische en mechanische eigenschappen. Volgende, ze gebruiken een smeltkroes om het materiaal te smelten en het gesmolten metaal op een roterend koperen wiel te gieten met behulp van een techniek die planar flow casting wordt genoemd. De gesmolten legering vormt een smeltbad op het gietwiel van koperlegering. De grote thermische massa van het wiel onttrekt snel warmte aan het materiaal, het vloeibare metaal afkoelen met ongeveer 1 miljoen graden per seconde. Bij die stollingssnelheden, atomen hebben geen tijd om posities in een kristalrooster te vinden. Het resulterende metastabiele materiaal is een metallisch glas - een materiaal waarvan de isotrope structuur het gemakkelijk maakt om de magnetisatie te veranderen zonder energie te verliezen, perfect voor gebruik in toepassingen met een hoog vermogen.

"In elk van de projecten waaraan we werken, we leren iets meer, ' zei McHenry.

McHenry's lab is sterk in deze methode van synthese, snelle stolling genoemd, die deel uitmaakt van de synthesefase van het materiaalwetenschapsparadigma (synthese, structuur, eigendommen, en prestaties). Zijn lab is in staat om deze materialen te maken, of ontdek de beste methode om deze materialen te maken, werkt vervolgens samen met anderen in nationale laboratoria en de industrie om het op te schalen voor gebruik in echte toepassingen.

Momenteel, McHenry en zijn team werken samen met het National Energy Technology Laboratory (NETL), NASA Glenn Onderzoekscentrum, Staatsuniversiteit van Noord-Carolina, en Eaton Corporation aan een door het Department of Energy gefinancierd project om transformatoren met een hoge dichtheid te creëren om hernieuwbare energie naar het elektriciteitsnet te brengen. Het project, een fotovoltaïsche omvormer met drie poorten, verhoogt de vermogensdichtheid en zorgt ervoor dat de fotovoltaïsche energiebron rechtstreeks kan worden aangesloten op de transformator die is aangesloten op het opslagapparaat.

"We werken aan een groot aantal geometrieën, " zei McHenry. "Het is onze taak om materialen te maken, geef het dan door aan de mensen die het in hun producten gaan gebruiken. Het zijn echt de materialen die stroom- en energietoepassingen mogelijk maken; iedereen rijdt op het ontwikkelingspaard van de materialen."