De acordo com uma estatística da Universidade de Chicago, 50 por cento da energia dos EUA passa por um motor. Veículos como carros e aviões dependem de motores para transformar a potência, assim como eletrodomésticos, como aspiradores e geladeiras. Porque este espaço é tão grande, motores mais eficientes podem fazer uma diferença significativa no uso de energia.

Quando um motor opera para transformar energia elétrica em energia mecânica, uma corrente alternada fornece um campo magnético para os materiais magnéticos dentro do motor. Os dipolos magnéticos então mudam de norte para sul, e fazer o motor girar. Essa mudança dos materiais magnéticos faz com que ele aqueça, perdendo energia.

Mas e se o material magnético não aquecesse quando girado em alta velocidade? Michael McHenry, professor de ciência e engenharia de materiais (MSE) na Carnegie Mellon University, e seu grupo está abordando este problema sintetizando materiais nanocompósitos metálicos amorfos (MANCs), uma classe de materiais magnéticos macios que são eficientes na transformação de energia em altas frequências, permitindo que motores menores forneçam energia comparável.

"A potência de um motor depende de sua velocidade, "disse McHenry." Quando você gira um motor em alta velocidade, o material magnético muda em uma frequência mais alta. A maioria dos aços magnéticos, que é o que a maioria dos motores são feitos, perdem energia em frequências mais altas porque esquentam. "

Atualmente, os motores são normalmente feitos de aço silício. MANCs fornecem uma alternativa aos aços siliciosos e, por causa de sua alta resistividade (a força com que se opõem a uma corrente elétrica), eles não aquecem tanto e, portanto, podem girar em velocidades muito mais altas.

"Como resultado, você pode reduzir o tamanho do motor em uma determinada densidade de potência ou fazer um motor de maior potência com o mesmo tamanho, "disse McHenry.

O grupo de McHenry, em colaboração com o Laboratório Nacional de Tecnologia de Energia (NETL), NASA Glenn Research Center, e a North Carolina State University, estão projetando um motor de dois quilowatts e meio que pesa menos de dois quilos e meio. Mais recentemente, eles o compararam em 6, 000 rotações por minuto e estamos procurando construir rotações maiores que girarão ainda mais rápido. O design, que é financiado pelo Departamento de Energia (DOE) Advance Manufacturing Office, combina ímãs permanentes com os MANCs.

Para sintetizar materiais MANC, McHenry e sua equipe solidificam metais líquidos rapidamente a cerca de um milhão de graus por segundo. Já que eles trabalham em escala de laboratório, eles olham para amostras de 10 gramas e as examinam quanto às suas propriedades magnéticas. Por meio de várias parcerias com instituições de pesquisa e indústria parceiras, eles podem pegar esses MANCs e expandir o processo de fabricação para uso em aplicações do mundo real.

Durante o processo de transformação de potência em um motor convencional, a magnetização dos interruptores de materiais do motor, frequentemente resultando em perda de energia. Mas com MANCs, as perdas associadas à comutação da magnetização são bastante reduzidas porque eles são um metal vítreo ao invés de um metal cristalino. A diferença estrutural está no nível atômico:quando o material é derretido, então resfriou rapidamente, os átomos não têm tempo para encontrar posições em uma rede cristalina.

O grupo e os colaboradores de McHenry são alguns dos poucos que demonstram o uso de MANCs em motores. Seu design também usa exclusivamente seus próprios materiais patenteados - uma combinação de ferro e cobalto, e ferro e níquel, misturado com formadores de vidro. Os MANCs eficientes também permitem o uso de ímãs permanentes de baixo custo, que não requerem materiais de terras raras críticos, no projeto do motor.

Enquanto os pesquisadores testam em proporções menores em escala de laboratório, colaborações com empresas da indústria e outros laboratórios de pesquisa podem levar esses metais à escala para uso na indústria.

"Eventualmente, podemos ir para velocidades e potências mais altas com esses projetos, "disse McHenry." No momento, estamos comparando um motor menor, e então tentaremos construir outros maiores. Os motores têm aeroespacial, veículo, e até mesmo aplicações de aspirador de pó - motores são importantes em qualquer número de aplicações. No total, motores representam um grande uso de energia elétrica, portanto, são uma área em que a eficiência pode fazer uma grande diferença. "