Volgens een statistiek van de Universiteit van Chicago, 50 procent van de Amerikaanse stroom gaat door een motor. Voertuigen zoals auto's en vliegtuigen vertrouwen op motoren om energie te transformeren, net als huishoudelijke apparaten zoals stofzuigers en koelkasten. Omdat deze ruimte zo groot is, efficiëntere motoren kunnen een aanzienlijk verschil maken in het energieverbruik.

Als een motor elektrische energie omzet in mechanische energie, een wisselstroom levert een magnetisch veld aan de magnetische materialen in de motor. De magnetische dipolen wisselen dan van noord naar zuid, en de motor laten draaien. Dit schakelen van de magnetische materialen zorgt ervoor dat het opwarmt, energie verliezen.

Maar wat als het magnetische materiaal niet opwarmt als het met hoge snelheid wordt rondgedraaid? Michael McHenry, een materiaalwetenschap en engineering (MSE) professor aan de Carnegie Mellon University, en zijn groep pakken dit probleem aan door metaalamorfe nanocomposietmaterialen (MANC's) te synthetiseren, een klasse van zachtmagnetische materialen die efficiënt zijn in het transformeren van energie bij hoge frequenties, waardoor kleinere motoren een vergelijkbaar vermogen kunnen leveren.

"Het vermogen van een motor hangt af van zijn snelheid, " zei McHenry. "Als je een motor met hoge snelheden laat draaien, het magnetische materiaal schakelt op een hogere frequentie. De meeste magnetische staalsoorten, waarvan de meeste motoren zijn gemaakt, verliezen kracht bij hogere frequenties omdat ze opwarmen."

Momenteel worden motoren meestal gemaakt van siliciumstaal. MANC's bieden een alternatief voor siliciumstaal en, vanwege hun hoge weerstand (hoe sterk ze zich verzetten tegen een elektrische stroom), ze worden niet zo warm en kunnen daarom met veel hogere snelheden draaien.

"Als resultaat, je kunt de grootte van de motor verkleinen bij een bepaalde vermogensdichtheid of een motor met een hoger vermogen maken met dezelfde grootte, ' zei McHenry.

McHenry's groep, in samenwerking met het National Energy Technology Laboratory (NETL), NASA Glenn Onderzoekscentrum, en North Carolina State University, ontwerpen een motor van twee en een halve kilowatt die minder dan twee en een halve kilo weegt. Meest recent, ze hebben het gebenchmarkt op 6, 000 rotaties per minuut en zijn op zoek naar grotere omwentelingen die nog sneller zullen draaien. Het ontwerp, die wordt gefinancierd door het Department of Energy (DOE) Advance Manufacturing Office, combineert permanente magneten met de MANC's.

Om MANC-materialen te synthetiseren, McHenry en zijn team laten vloeibare metalen snel stollen met ongeveer een miljoen graden per seconde. Omdat ze op labschaal werken, ze bekijken monsters van 10 gram en screenen ze op hun magnetische eigenschappen. Door verschillende partnerschappen met partneronderzoeksinstellingen en de industrie, ze kunnen deze MANC's gebruiken en het fabricageproces opschalen voor gebruik in real-world toepassingen.

Tijdens het vermogenstransformatieproces in een conventionele motor, de magnetisatie van de motormaterialen schakelt, vaak resulterend in vermogensverlies. Maar met MANC's, de verliezen die gepaard gaan met het schakelen van de magnetisatie worden sterk verminderd omdat ze een glasachtig metaal zijn in plaats van een kristallijn metaal. Het structurele verschil zit op atomair niveau:wanneer het materiaal wordt gesmolten, dan snel afgekoeld, de atomen hebben geen tijd om posities in een kristalrooster te vinden.

McHenry's groep en medewerkers zijn enkele van de weinige die het gebruik van MANC's in motoren demonstreren. Hun ontwerp maakt ook op unieke wijze gebruik van hun eigen gepatenteerde materialen - een combinatie van ijzer en kobalt, en ijzer en nikkel, gemengd met glasvormers. De efficiënte MANC's maken ook het gebruik van goedkopere permanente magneten mogelijk, waarvoor geen kritische zeldzame aardmaterialen nodig zijn, in het motorontwerp.

Terwijl de onderzoekers in kleinere proporties testen op labschaal, samenwerkingen met bedrijven in de industrie en andere onderzoekslaboratoria kunnen deze metalen opschalen voor gebruik in de industrie.

"Uiteindelijk kunnen we met deze ontwerpen naar hogere snelheden en hogere vermogens gaan, " zei McHenry. "Op dit moment zijn we een kleinere motor aan het benchmarken, en dan zullen we proberen grotere te bouwen. Motoren hebben ruimtevaart, voertuig, en zelfs stofzuigertoepassingen - motoren zijn belangrijk in een groot aantal toepassingen. in totaal, motoren vertegenwoordigen een enorm gebruik van elektrisch vermogen, dus ze zijn een gebied waar efficiëntie een groot verschil kan maken."