Stanford Engineering
Magneti so vključeni v skoraj vsak korak proizvodnje električne energije, vendar je bilo njihovo izboljšanje velik izziv. Raziskovalci si zdaj prizadevajo to spremeniti.
V zadnjih dveh desetletjih se je uporaba obnovljivih virov energije po vsem svetu skoraj početverila. Električni avtomobili se prodajajo v rekordnih številkah. Sončne celice v gospodinjstvih se nameščajo hitreje kot kdaj koli prej [1].
Teoretično je prihodnost zelene tehnologije svetla, vendar morajo inženirji za večjo učinkovitost in razširjenost teh naprav premagati še eno veliko oviro: izdelati boljši magnet.
„Magneti so vključeni v skoraj vsako fazo proizvodnje električne energije, od generatorjev električne energije do transformatorjev na drogovih, vse do napajanja prenosnih računalnikov. Magneti so v vseh električnih motorjih. So res ključna sestavina, vendar jih je bilo v zadnjih 30 ali 40 letih težko izboljšati,“ pravi WendyGu [2], docentka za strojništvo na Stanfordu.
Gu želi to spremeniti. Skupaj z Juanom Rivasom-Davilo [3], izrednim profesorjem elektrotehnike na Stanfordu, in Mitro Taherijem z Univerze Johns Hopkins razvijata novo vrsto ultra učinkovitega materiala, ki lahko vodi k miniaturnim motorjem, napajalnikom in generatorjem. Imenuje se „mehki magnetni kompozit“ ali SMC. (Beseda „mehak“ je nekoliko napačna – pomeni le, da je mogoče magnetne lastnosti vklopiti in izklopiti. To je v nasprotju s trdimi ali trajnimi magneti.)
Čeprav so SMC v takšni ali drugačni obliki na voljo že vsaj tri desetletja, je njihova izdelava lahko draga in z njimi je težko manipulirati. Razlog za to je preprost, pravi Gu: Nekateri najboljši magnetni materiali so narejeni iz kovinskih atomov, ki niso zaklenjeni v določene strukture, kot je kristal, ampak so zlepljeni skupaj v snov, podobno steklu.
Postopek uporabe teh materialov v SMC je izjemno zapleten. Najprej se stekleni magnetni material izdela kot izolacija iz steklenih vlaken – stopi se in vrti pri visokih hitrostih, pri čemer nastanejo tanki krhki trakovi. Ti se nato zdrobijo, zmešajo s keramiko, stisnejo v kalup in zvarijo pri visoki temperaturi.
Vendar sta Gu in Rivas-Davila morda našla drug način za dosego istega cilja z uporabo nanotehnologije. V laboratoriju sta izdelala posamezna zrnca SMC materiala, ki so manjša od enega mikrona – pri tem sta uporabila le čašo z vodo in nekaj preproste kemije.
„V vodo v bistvu damo kovinske ione – samo prah iz posode – in nato dodamo drugo kemikalijo, ki povzroči spremembo njihovega pozitivnega naboja v nevtralnega. Če to naredimo nadzorovano, se kovinski ioni združijo v drobne delce,“ pravi Gu. „To je neverjetno poceni postopek, ki ne zahteva veliko specializirane opreme.“
Gu dodaja, da bi lahko pridobljeni material uporabili za 3D tiskanje magnetnega jedra v kakršni koli obliki, ki jo zahtevajo razvijalci. S tanko plastjo tega novega SMC materiala je mogoče z močnim laserjem neposredno združiti delce. „Če na to dodate še več SMC materiala in postopek ponovite, lahko del postopoma plast za plastjo oblikujete v želeno obliko,“ pravi.
Zaradi neverjetno majhnosti delcev, ki jih je ustvarila Gu, bi bili nastali SMC tudi veliko bolj učinkoviti od običajnih, dodaja Rivas-Davila.
„Običajno se pri indukciji električnega signala v magnetni kovini v njej tvorijo drobni krožni tokovni vrtinci. Ti vrtinci so ujeti v kristalnih območjih kovine, zato začnejo ustvarjati veliko toplote. Pri tem se izgublja veliko energije,“ pravi.
Vendar bi nanostrukturirani SMC, ki uporabljajo steklaste kovine, ustvarili veliko manj teh vrtincev, zato bi imeli izrazito prednost pred drugimi materiali, ki opravljajo enako nalogo. Električni motor, izdelan iz novega Gu in Rivas-Davile materiala, bi bil lahko na primer za polovico cenejši od tistih, ki so danes na trgu, a skoraj desetkrat učinkovitejši.
Čeprav je njuno delo še v začetni fazi, sta že pritegnila pozornost pomembnih akterjev v svetu čiste energije. Konec leta 2021 sta prejela 1,9 milijona dolarjev nepovratnih sredstev Agencije za napredne raziskovalne projekte za energijo (ARPA-E), vladne skupine, ki financira drzne in napredne energetske raziskave.
Če se bodo njune raziskave obnesle, bi lahko ključne električne naprave sčasoma postale veliko manjše in cenejše. Eden od prvih delov na njunem prednostnem seznamu je sestavni del v obliki obroča, imenovan „toroid“ – razmeroma velik in vseprisoten del, ki se uporablja v skoraj vsakem elektronskem napajalnem vezju. Na videz ni videti prav nič posebnega: le žica, ovita okoli magnetnega kovinskega krofa. Toda s spremembo oblike in prereza tega krofa bi lahko povečali njegovo učinkovitost. Če bi bilo tako, bi lahko inženirji zmanjšali njegovo velikost – in velikost celotnega izdelka – ne da bi pri tem žrtvovali učinkovitost.
„Končni cilj je miniaturizacija delov, da bomo lahko izdelovali manjše in zmogljivejše naprave,“ pravi Gu. „Če nam to uspe, bo to velik napredek na tem področju.“
Viri:
1: https://www.nrel.gov/docs/fy21osti/80427.pdf
2: https://profiles.stanford.edu/wendy-gu
3: https://profiles.stanford.edu/juan-rivas-davila
