Đột phá vật liệu: Kim loại vô định hình giúp động cơ điện gần như không mất năng lượng

Ảnh minh họa: Getty.

Động cơ điện, dù lớn hay nhỏ, đều có một nhiệm vụ duy nhất: biến điện năng thành cơ năng. Qua nhiều thế kỷ, con người đã tối ưu hóa những cỗ máy này đến mức gần như toàn bộ năng lượng được chuyển hóa thành công suất thay vì thất thoát dưới dạng nhiệt. Để đạt được điều đó, các kỹ sư sử dụng các hợp kim sắt từ mềm có cấu trúc hạt thô, nhưng chúng không hoàn hảo.

Nguyên nhân là bởi hầu hết các động cơ đều có rotor (phần quay) và stator (phần đứng yên), trong đó stator tạo ra một từ trường biến thiên cả về cường độ lẫn hướng theo thời gian. Quá trình tái từ hóa này tiêu tốn năng lượng mỗi khi cấu trúc tinh thể phải “lật” hướng từ tính.

Điều này tạo ra một dạng ma sát, sinh nhiệt (tức năng lượng bị lãng phí) trong hiện tượng gọi là “tổn hao sắt” (iron loss). Động cơ quay càng nhanh thì hiệu suất càng giảm – và tổn hao này càng rõ rệt khi kích thước động cơ càng nhỏ.

Nhiều người có thể cho rằng đây là bản chất tự nhiên không thể tránh khỏi, và chấp nhận việc hợp kim sắt luôn thất thoát một phần năng lượng. Nhưng các nhà nghiên cứu tại Đại học Saarland (Đức) không hài lòng với câu trả lời đó. Họ đã tìm cách thay thế các vật liệu truyền thống bằng một loại kim loại “kỳ lạ” hơn.

“Chúng tôi muốn thay thế các hợp kim tinh thể thông thường bằng các hợp kim vô định hình, giống như thủy tinh, vì chúng hầu như không bị mất năng lượng trong quá trình tái từ hóa”, ông Ralf Busch cho biết. “Tổn hao giảm mạnh khi các tinh thể cực nhỏ, tức cấu trúc nano tinh thể, hoặc khi hoàn toàn không có cấu trúc tinh thể – nghĩa là vật liệu ở dạng vô định hình, giống thủy tinh”.

Khái niệm “kim loại thủy tinh” nghe có vẻ mâu thuẫn, đặc biệt về độ bền. Nhưng bản thân thủy tinh cũng là một nghịch lý vật liệu: nó là chất rắn, nhưng các hạt bên trong lại sắp xếp hỗn loạn như chất lỏng, khiến một số nhà khoa học gọi nó là “chất lỏng bị đóng băng”. Chính cấu trúc vô định hình này khiến nhóm nghiên cứu đặc biệt quan tâm, vì nó cho phép tạo ra vật liệu có độ bền vượt cả thép.

Bằng cách lựa chọn các nguyên tử phù hợp, các nhà khoa học có thể “đóng băng” chúng khi làm nguội, tạo ra cấu trúc hỗn loạn tương tự thủy tinh – từ đó hình thành kim loại vô định hình. Và chính cấu trúc này đặc biệt hiệu quả trong việc giảm tổn hao năng lượng do tái từ hóa.

“Vì kim loại thủy tinh không có cấu trúc tinh thể, các vùng từ – gọi là miền Weiss – không bị cản trở và có thể tự do thay đổi khi từ trường biến đổi”, ông Busch giải thích. “Do đó, tính chất từ của kim loại này đặc biệt phù hợp cho động cơ điện”.

Các linh kiện từ kim loại thủy tinh có thể được sản xuất bằng công nghệ ép phun truyền thống hoặc in 3D – trọng tâm của dự án “Sản xuất bồi đắp kim loại vô định hình cho vật liệu từ mềm”, nhận được hàng triệu euro tài trợ từ Liên minh châu Âu. Tuy nhiên, việc tìm ra hợp kim phù hợp không hề đơn giản: vật liệu phải dễ chuyển sang trạng thái “thủy tinh hóa”, có tính chất phù hợp cho động cơ và có thể in 3D.

“Bước đột phá đã đến cách đây hơn một năm”. Busch cho biết. “Chúng tôi đã xác định được ba loại hợp kim có khả năng chống kết tinh và đáp ứng đầy đủ các yêu cầu để in ra các linh kiện động cơ hoàn toàn ở trạng thái ‘thủy tinh’”.

Tuy nhiên, những gì hoạt động tốt trong phòng thí nghiệm chưa chắc đã khả thi ở quy mô công nghiệp. Hiện tại, nhóm nghiên cứu đang tập trung cải tiến quy trình sản xuất bồi đắp bằng công nghệ nung chảy bột bằng laser (L-PBF) để nâng cao độ ổn định và độ chính xác.

Nếu thành công, công nghệ này có thể mở ra một kỷ nguyên hoàn toàn mới cho động cơ điện – nơi hiệu suất được đẩy lên gần như tối đa và tổn hao năng lượng gần như biến mất.

Theo PM

Huyền Chi