Transformação de poder. Eletrificação de veículos. Criação de motores eficientes. Algumas das maiores tecnologias do futuro dependem de encontrar maneiras de transformar energia de maneira eficiente. E a espinha dorsal que permite o desenvolvimento dessas tecnologias é o campo de materiais avançados.
Na Carnegie Mellon University, O professor de ciência e engenharia de materiais Mike McHenry e seu grupo de pesquisa estão desenvolvendo materiais nanocompósitos metálicos amorfos (MANC), ou materiais magnéticos cujos nanocristais cresceram de uma matriz amorfa para criar um material magnético de duas fases que explora tanto as induções magnéticas atraentes dos nanocristais quanto a grande resistência elétrica de um vidro metálico. Quando operado em altas frequências, esses materiais MANC oferecem alta eficiência energética, devido às suas baixas perdas de energia - um componente essencial para a transformação de energia.
Diferentes composições de MANC podem ser aplicadas a várias aplicações, mas foram recentemente adotadas em transformadores de força que serão usados para trazer energia renovável para a rede. Esses transformadores precisam de materiais magnéticos para coletar energia solar ou eólica, em seguida, transforme-o em uma energia que possa ser armazenada e fornecida à rede.
Tipicamente, os aços siliciosos usados para transformar energia apresentam perdas em altas frequências, o que significa que eles perdem energia quando excitados com campos de corrente alternada de alta frequência. Mas o material de McHenry não sofre desse problema. É altamente eficiente e perde pouca energia, mesmo em frequências que atingem dezenas de kHz. A natureza sem perdas do material permite aplicações de alta densidade de potência, como indutores e transformadores de rede elétrica, motores de veículos elétricos, e até mesmo potencialmente para motores que impulsionam aeronaves e foguetes no espaço.
Para sintetizar esses materiais, A equipe de McHenry pesa componentes de liga combinando ferro, cobalto, e níquel, misturado com formadores de vidro em proporções otimizadas para alcançar o magnético desejável, propriedades elétricas e mecânicas. Próximo, eles usam um cadinho para derreter o material e fundir o metal derretido em uma roda de cobre giratória usando uma técnica chamada fundição de fluxo planar. A liga fundida forma uma poça de fusão na roda de fundição de liga de cobre. A grande massa térmica da roda extrai rapidamente o calor do material, resfriar o metal líquido a cerca de 1 milhão de graus por segundo. Nessas taxas de solidificação, os átomos não têm tempo para encontrar posições em uma rede cristalina. O material metaestável resultante é um vidro metálico - um material cuja estrutura isotrópica torna fácil alternar a magnetização sem perder energia, perfeito para uso em aplicações de alta potência.
“Em cada um dos projetos em que trabalhamos, aprendemos algo mais, "disse McHenry.
O laboratório de McHenry é forte neste método de síntese, chamado de solidificação rápida, que faz parte da fase de síntese do paradigma da ciência dos materiais (síntese, estrutura, propriedades, e desempenho). Seu laboratório é capaz de criar esses materiais, ou descubra o melhor método para criar esses materiais, em seguida, trabalha com outros em laboratórios nacionais e na indústria para ampliá-lo para uso em aplicações do mundo real.
Atualmente, McHenry e sua equipe estão colaborando com o Laboratório Nacional de Tecnologia de Energia (NETL), NASA Glenn Research Center, Universidade Estadual da Carolina do Norte, e a Eaton Corporation em um projeto financiado pelo Departamento de Energia para criar transformadores de alta densidade para levar energia renovável à rede elétrica. O projeto, um conversor fotovoltaico de três portas, aumenta a densidade de potência e permite que a fonte de energia fotovoltaica se conecte diretamente ao transformador que se conecta ao dispositivo de armazenamento.
"Trabalhamos em uma miríade de geometrias, "disse McHenry." Nosso trabalho é criar materiais, em seguida, passe-o para as pessoas que irão usá-lo em seus produtos. São realmente os materiais que possibilitam as aplicações de força e energia; todo mundo está montando o cavalo de desenvolvimento dos materiais. "
