Rendere più efficienti i dispositivi elettrici del futuro
I piccoli motori elettrici, che si possono trovare in qualsiasi tipo di apparecchio, dai nastri trasportatori agli spazzolini da denti, contribuiscono a far funzionare il nostro mondo moderno; data la loro diffusione, anche un miglioramento di piccola entità dell’efficienza energetica associata alla loro alimentazione può fare la differenza. Di conseguenza, numerose ricerche si sono concentrate su un fenomeno noto come «perdita di ferro», ovvero l’energia elettrica che viene dispersa sotto forma di calore nel nucleo magnetico di questi dispositivi. Poiché i motori elettrici funzionano grazie a campi magnetici variabili, essi determinano infatti una continua perdita di energia.
Leghe amorfe simili al vetro
Il progetto AM2SoftMag(si apre in una nuova finestra), finanziato dal Consiglio europeo per l’innovazione(si apre in una nuova finestra), ha cercato di affrontare questo problema migliorando i materiali utilizzati nei motori elettrici. «Nei motori odierni, i componenti dello statore e del rotore sono realizzati in leghe di ferro convenzionali a grana grossa dotate di proprietà magnetiche morbide», spiega Ralf Busch, coordinatore del progetto AM2SoftMag e docente presso l’Università del Saarland(si apre in una nuova finestra), in Germania. «Volevamo sostituire queste leghe cristalline convenzionali con leghe amorfe simili al vetro che non perdono quasi nessuna energia durante il processo di rimagnetizzazione.» Nonostante il nome, il vetro metallico è tutt’altro che fragile, tanto da essere notevolmente più resistente dell’acciaio. Il termine «vetro» si riferisce infatti alla struttura interna del materiale, che è amorfa, ovvero priva di reticolo cristallino. «Nei metalli convenzionali, gli atomi sono disposti in reticoli cristallini ordinati», aggiunge Busch. «Nei vetri metallici, gli atomi presentano invece una disposizione disordinata e amorfa.»
Motori elettrici stampati in 3D
Per realizzare dispositivi a partire da questi materiali, il team del progetto ha fatto ricorso alla produzione additiva, comunemente nota come stampa 3D, impiegando leghe magnetiche morbide amorfe in polvere al fine di costruire motori elettrici stampati in 3D ad alta efficienza, destinati a componenti di piccole dimensioni. AM2SoftMag ha selezionato centinaia di leghe potenziali, che sono state poi sottoposte a test per verificarne la resistenza alla cristallizzazione: la lega ideale non solo doveva vitrificarsi (cioè formare un vetro), ma doveva anche essere compatibile con la stampa 3D. Alla fine delle prove, sono state individuate tre leghe idonee. Il processo di produzione è iniziato con la fusione del materiale in polvere tramite laser, seguita dal controllo del raffreddamento, il che ha permesso di realizzare, strato dopo strato, componenti per motori con uno spessore di 50 micrometri, interamente costituiti da vetro metallico amorfo privo di cristalliti che ne compromettessero l’integrità. Questo perché, «congelando» tali atomi nella loro posizione, essi rimangono bloccati prima che possa formarsi un reticolo cristallino, dando origine a un vetro metallico. In assenza di un reticolo cristallino, il processo di rimagnetizzazione risulta più agevole, riducendo in modo significativo le «perdite nel ferro».
Ridurre il consumo energetico
Il progetto AM2SoftMag rappresenta un importante passo in avanti verso una maggiore efficienza dei dispositivi elettrici del futuro. Un altro aspetto positivo di questo lavoro è che, grazie all’uso di metalli amorfi, i produttori non dovranno più fare i conti con gli elementi di lega critici, come il cobalto, minerale la cui estrazione si concentra in aree del mondo caratterizzate da tensioni geopolitiche e condizioni di lavoro non sicure. I prossimi passi consisteranno nel potenziare il processo affinché funzioni in modo affidabile su scala industriale. L’elenco dei potenziali utenti finali è piuttosto ampio, vista la domanda di motori elettrici: come sottolinea Busch, è probabile che ce ne siano centinaia per questi motori, ad esempio per controllare il posizionamento di un sedile in un’automobile di lusso. «Semplicemente cambiando il materiale, possiamo ridurre il consumo energetico di una vasta gamma di motori elettrici di uso quotidiano e, in ultima analisi, aumentare l’autonomia di dispositivi come i monopattini elettrici o i droni», afferma.
