Transformer le pouvoir. Électrification des véhicules. Créer des moteurs efficaces. Certaines des plus grandes technologies du futur reposent sur la recherche de moyens de transformer efficacement l'énergie. Et l'épine dorsale qui permet le développement de ces technologies est le domaine des matériaux avancés.
À l'Université Carnegie Mellon, Le professeur de science et génie des matériaux Mike McHenry et son groupe de recherche développent des matériaux nanocomposites amorphes métalliques (MANC), ou des matériaux magnétiques dont les nanocristaux ont été développés à partir d'une matrice amorphe pour créer un matériau magnétique à deux phases qui exploite à la fois les inductions magnétiques attractives des nanocristaux et la grande résistance électrique d'un verre métallique. Lorsqu'il est utilisé à des fréquences élevées, ces matériaux MANC offrent une très haute efficacité énergétique, en raison de leurs faibles pertes d'énergie, élément essentiel pour la transformation de l'énergie.
Différentes compositions de MANC peuvent être appliquées à diverses applications, mais ont été plus récemment adoptées dans les transformateurs de puissance qui seront utilisés pour apporter de l'énergie renouvelable au réseau. Ces transformateurs ont besoin de matériaux magnétiques pour capter l'énergie solaire ou éolienne, puis la transformer en une puissance qui peut être stockée et injectée dans le réseau.
Typiquement, les aciers au silicium utilisés pour transformer l'énergie sont à pertes à hautes fréquences, ce qui signifie qu'ils perdent de l'énergie lorsqu'ils sont excités par des champs de courant alternatif à haute fréquence. Mais le matériel de McHenry ne souffre pas de ce problème. Il est très efficace et perd peu d'énergie, même à des fréquences atteignant des dizaines de kHz. La nature sans perte du matériau permet des applications à haute densité de puissance telles que les inductances et les transformateurs du réseau électrique, moteurs de véhicules électriques, et même potentiellement pour les moteurs qui propulsent les avions et les fusées dans l'espace.
Pour synthétiser ces matériaux, L'équipe de McHenry pèse des composants en alliage combinant du fer, cobalt, et nickel, mélangé avec des formateurs de verre dans des rapports optimisés pour atteindre le magnétique souhaitable, propriétés électriques et mécaniques. Prochain, ils utilisent un creuset pour faire fondre le matériau et couler le métal en fusion sur une roue en cuivre rotative à l'aide d'une technique appelée coulée planaire. L'alliage fondu forme un bain de fusion sur la roue de coulée en alliage de cuivre. La grande masse thermique de la roue extrait rapidement la chaleur du matériau, refroidissement du métal liquide à environ 1 million de degrés par seconde. A ces taux de solidification, les atomes n'ont pas le temps de trouver des positions dans un réseau cristallin. Le matériau métastable résultant est un verre métallique - un matériau dont la structure isotrope permet de changer facilement l'aimantation sans perdre d'énergie, parfait pour une utilisation dans des applications à haute puissance.
"Dans chacun des projets sur lesquels nous travaillons, nous apprenons quelque chose de plus, " a déclaré McHenry.
Le laboratoire de McHenry est fort dans cette méthode de synthèse, appelé solidification rapide, qui fait partie de l'étape de synthèse du paradigme de la science des matériaux (synthèse, structure, Propriétés, et performances). Son laboratoire est capable de créer ces matériaux, ou découvrez la meilleure méthode pour créer ces matériaux, travaille ensuite avec d'autres dans les laboratoires nationaux et l'industrie pour l'adapter à des applications réelles.
Actuellement, McHenry et son équipe collaborent avec le National Energy Technology Laboratory (NETL), Centre de recherche Glenn de la NASA, Université d'État de Caroline du Nord, et Eaton Corporation dans le cadre d'un projet financé par le ministère de l'Énergie pour créer des transformateurs à haute densité pour amener de l'énergie renouvelable au réseau électrique. Le projet, un convertisseur photovoltaïque à trois ports, augmente la densité de puissance et permet à la source d'énergie photovoltaïque de se connecter directement au transformateur qui se connecte au dispositif de stockage.
"Nous travaillons sur une myriade de géométries, " a déclaré McHenry. "Notre travail consiste à créer des matériaux, puis remettez-le aux personnes qui l'utiliseront dans leurs produits. Ce sont vraiment les matériaux qui permettent les applications de puissance et d'énergie; tout le monde monte le cheval du développement des matériaux."
