Selon une statistique de l'Université de Chicago, 50 pour cent de l'énergie américaine passe par un moteur. Les véhicules comme les voitures et les avions s'appuient sur des moteurs pour transformer l'énergie, tout comme les appareils électroménagers comme les aspirateurs et les réfrigérateurs. Parce que cet espace est si grand, des moteurs plus efficaces pourraient faire une différence significative dans la consommation d'énergie.

Lorsqu'un moteur fonctionne pour transformer l'énergie électrique en énergie mécanique, un courant alternatif fournit un champ magnétique aux matériaux magnétiques à l'intérieur du moteur. Les dipôles magnétiques basculent alors du nord au sud, et faire tourner le moteur. Cette commutation des matériaux magnétiques provoque son échauffement, perdre de l'énergie.

Mais que se passe-t-il si le matériau magnétique ne chauffe pas lorsqu'il est tourné à grande vitesse ? Michael McHenry, professeur de science et ingénierie des matériaux (MSE) à l'Université Carnegie Mellon, et son groupe s'attaquent à ce problème en synthétisant des matériaux nanocomposites amorphes métalliques (MANC), une classe de matériaux magnétiques doux qui sont efficaces pour transformer l'énergie à hautes fréquences, permettant à des moteurs plus petits de fournir une puissance comparable.

"La puissance d'un moteur dépend de sa vitesse, " a déclaré McHenry. " Lorsque vous faites tourner un moteur à grande vitesse, le matériau magnétique commute à une fréquence plus élevée. La plupart des aciers magnétiques, de quoi sont faits la plupart des moteurs, perdent de la puissance à des fréquences plus élevées parce qu'elles chauffent."

Actuellement, les moteurs sont généralement fabriqués à partir d'aciers au silicium. Les MANC offrent une alternative aux aciers au silicium et, en raison de leur résistivité élevée (avec quelle force ils s'opposent à un courant électrique), ils ne chauffent pas autant et peuvent donc tourner à des vitesses beaucoup plus élevées.

"Par conséquent, vous pouvez soit réduire la taille du moteur à une densité de puissance donnée, soit créer un moteur de puissance supérieure à la même taille, " a déclaré McHenry.

le groupe de McHenry, en collaboration avec le Laboratoire national des technologies de l'énergie (NETL), Centre de recherche Glenn de la NASA, et l'Université d'État de Caroline du Nord, conçoivent un moteur de deux kilowatts et demi qui pèse moins de deux kilogrammes et demi. Plus récemment, ils l'ont comparé à 6, 000 rotations par minute et cherchent à en construire de plus grosses qui tourneront encore plus vite. La conception, qui est financé par le ministère de l'Énergie (DOE) Advance Manufacturing Office, combine des aimants permanents avec les MANC.

Pour synthétiser les matériaux MANC, McHenry et son équipe solidifient rapidement les métaux liquides à environ un million de degrés par seconde. Comme ils travaillent à l'échelle du laboratoire, ils examinent des échantillons de 10 grammes et les examinent pour leurs propriétés magnétiques. Grâce à divers partenariats avec des institutions de recherche partenaires et l'industrie, ils peuvent utiliser ces MANC et étendre le processus de fabrication pour une utilisation dans des applications du monde réel.

Pendant le processus de transformation de puissance dans un moteur conventionnel, la magnétisation des interrupteurs matériels du moteur, entraînant souvent une perte de puissance. Mais avec les MANC, les pertes liées à la commutation de l'aimantation sont fortement réduites car il s'agit d'un métal vitreux plutôt que d'un métal cristallin. La différence structurelle se situe au niveau atomique :lorsque le matériau est fondu, puis refroidi rapidement, les atomes n'ont pas le temps de trouver des positions dans un réseau cristallin.

Le groupe et les collaborateurs de McHenry sont parmi les rares à démontrer l'utilisation des MANC dans les moteurs. Leur conception utilise également de manière unique leurs propres matériaux brevetés - une combinaison de fer et de cobalt, et le fer et le nickel, mélangé avec des formateurs de verre. Les MANC efficaces permettent également l'utilisation d'aimants permanents à moindre coût, qui ne nécessitent pas de terres rares critiques, dans la conception du moteur.

Alors que les chercheurs testent dans de plus petites proportions à l'échelle du laboratoire, des collaborations avec des entreprises de l'industrie et d'autres laboratoires de recherche peuvent amener ces métaux à l'échelle pour une utilisation dans l'industrie.

"Finalement, nous pourrons atteindre des vitesses plus élevées et des puissances plus élevées avec ces conceptions, " a déclaré McHenry. " En ce moment, nous testons un moteur plus petit, puis nous essaierons d'en construire de plus gros. Les moteurs ont de l'aérospatiale, véhicule, et même les applications d'aspirateur - les moteurs sont importants dans un certain nombre d'applications. Dans l'ensemble, les moteurs représentent une énorme utilisation de l'énergie électrique, C'est donc un domaine où l'efficacité peut faire une grande différence. »