Aumentar la eficiencia de los aparatos eléctricos del futuro
Los pequeños motores eléctricos —que se encuentran en todo tipo de dispositivos, desde cintas transportadoras hasta cepillos de dientes eléctricos— ayudan a impulsar nuestro mundo moderno. Dada su prevalencia, lograr incluso mejoras pequeñas en la eficiencia energética de su funcionamiento puede marcar la diferencia. Como consecuencia, gran parte de la investigación se ha centrado en un fenómeno conocido como «pérdida de hierro». Esto se refiere a la energía eléctrica que se desperdicia en forma de calor en el núcleo magnético de estos dispositivos. Puesto que los motores eléctricos dependen de campos magnéticos variables para funcionar, se produce una pérdida continua de energía.
Aleaciones amorfas de tipo vítreo
El equipo del proyecto AM2SoftMag(se abrirá en una nueva ventana), financiado por el Consejo Europeo de Innovación(se abrirá en una nueva ventana), se propuso abordar este problema mejorando los materiales utilizados en los motores eléctricos. «En los motores actuales, los componentes del estator y del rotor están fabricados con aleaciones de hierro convencionales de grano grueso y magnetismo blando», explica Ralf Busch, coordinador del proyecto AM2SoftMag y catedrático de la Universidad de Saarland(se abrirá en una nueva ventana) en Alemania. «Queríamos sustituir estas aleaciones cristalinas convencionales por aleaciones amorfas, similares al vidrio, que apenas pierden energía durante la remagnetización». A pesar de su nombre, el vidrio metálico no es en absoluto frágil y, de hecho, es considerablemente más resistente que el acero. El término «vidrio» hace referencia a la estructura interna del material, que es amorfa, lo que significa que carece de red cristalina. «En los metales convencionales, los átomos se disponen en redes cristalinas ordenadas», añade Busch. «En los vidrios metálicos, los átomos se encuentran en una disposición desordenada y amorfa».
Motores eléctricos impresos en 3D
Para crear dispositivos a partir de estos materiales, el equipo del proyecto recurrió a la fabricación por adición, conocida comúnmente como impresión 3D. Se utilizaron aleaciones magnéticas blandas amorfas en polvo para fabricar motores eléctricos impresos en 3D de alta eficiencia destinados a componentes pequeños. Se seleccionaron cientos de aleaciones potenciales y se sometieron a ensayo para comprobar su resistencia a la cristalización. La aleación ideal no solo tenía que vitrificarse (es decir, formar un vidrio), sino que también tenía que ser compatible con la impresión 3D. Finalmente, se identificaron tres aleaciones adecuadas. En el proceso de fabricación se comenzó fundiendo el material en polvo con un láser y, a continuación, controlando el enfriamiento. Esto permitió crear, capa a capa, capas de 50 micrómetros de espesor para fabricar piezas de motor compuestas íntegramente por vidrio metálico amorfo, sin cristalitos que alteraran su estructura. Esto se debe a que, al «congelar» estos átomos en su sitio, quedan fijos en su posición antes de que pueda formarse una red cristalina, lo que da lugar a un vidrio metálico. Sin una red cristalina, el proceso de remagnetización resulta más sencillo, lo que reduce de manera considerable las «pérdidas por hierro».
Reducción del consumo de energía
El equipo del proyecto AM2SoftMag supone un avance importante para lograr que los dispositivos eléctricos del futuro sean más eficientes. Otra aportación positiva de este trabajo es que, al utilizar metales amorfos, los fabricantes ya no tendrán que lidiar con elementos de aleación críticos como el cobalto. La extracción de este mineral se concentra en zonas del mundo caracterizadas por tensiones geopolíticas y prácticas laborales inseguras. Los próximos pasos consistirán en ampliar el proceso para que funcione de forma fiable a escala industrial. La lista de posibles usuarios finales es considerable, dada la demanda de motores eléctricos. Como señala Busch, es probable que haya cientos de motores de este tipo, por ejemplo, para controlar la posición de un asiento en un coche de lujo. «Con solo cambiar el material, podemos reducir el consumo energético de toda una serie de motores eléctricos de uso cotidiano y, en última instancia, ampliar la autonomía de los dispositivos como los patinetes eléctricos o los drones», afirma.
