Kraftomvandling. Elektrifiering av fordon. Skapa effektiva motorer. Några av framtidens största teknologier vilar på att hitta sätt att effektivt omvandla energi. Och ryggraden som möjliggör utveckling av denna teknik är området avancerade material.
Vid Carnegie Mellon University, Materialvetenskap och teknikprofessor Mike McHenry och hans forskargrupp utvecklar metallamorfa nanokompositmaterial (MANC), eller magnetiska material vars nanokristaller har odlats ur en amorf matris för att skapa ett tvåfasmagnetiskt material som utnyttjar både de attraktiva magnetiska induktionerna hos nanokristallerna och det stora elektriska motståndet hos ett metalliskt glas. När den används vid höga frekvenser, dessa MANC -material erbjuder mycket hög energieffektivitet, på grund av deras låga energiförluster - en viktig komponent för att omvandla energi.
Olika MANC -kompositioner kan appliceras på olika applikationer men har senast använts i effekttransformatorer som kommer att användas för att få förnybar energi till nätet. Dessa transformatorer behöver magnetiska material för att skörda sol- eller vindenergi, transformera den sedan till en effekt som kan lagras och matas till nätet.
Vanligtvis, kiselstål som används för att transformera energi går förlorade vid höga frekvenser, vilket betyder att de tappar energi när de exciteras med högfrekventa växelström. Men McHenrys material lider inte av detta problem. Det är mycket effektivt och tappar lite energi, även vid frekvenser som når tiotals kHz. Materialets förlustfria natur möjliggör applikationer med hög effekttäthet, såsom elnätinduktorer och transformatorer, elmotorer, och till och med potentiellt för motorer som driver flygplan och raketer i rymden.
För att syntetisera dessa material, McHenrys team väger legeringskomponenter som kombinerar järn, kobolt, och nickel, blandat med glasbildare i förhållanden optimerade för att uppnå önskvärd magnetisk, elektriska och mekaniska egenskaper. Nästa, de använder en degel för att smälta materialet och gjuter den smälta metallen på ett roterande kopparhjul med hjälp av en teknik som kallas plan flödesgjutning. Den smälta legeringen bildar en smältpool på kopparlegeringens hjul. Hjulets stora termiska massa extraherar snabbt värme ur materialet, kylning av den flytande metallen med cirka 1 miljon grader per sekund. Vid dessa stelningshastigheter, atomer har inte tid att hitta positioner i ett kristallint gitter. Det resulterande metastabila materialet är ett metallglas - ett material vars isotropa struktur gör det enkelt att byta magnetisering utan att förlora energi, perfekt för användning i applikationer med hög effekt.
"I alla de projekt vi arbetar med, vi lär oss något mer, sa McHenry.
McHenrys laboratorium är starkt i denna syntesmetod, kallas snabb stelning, som är en del av syntesstadiet i materialvetenskapsparadigmet (syntes, strukturera, egenskaper, och prestanda). Hans laboratorium kan skapa dessa material, eller upptäck den bästa metoden för att skapa dessa material, arbetar sedan med andra på nationella laboratorier och industri för att skala upp det för användning i verkliga applikationer.
För närvarande, McHenry och hans team samarbetar med National Energy Technology Laboratory (NETL), NASA Glenn Research Center, North Carolina State University, och Eaton Corporation på ett Department of Energy-finansierat projekt för att skapa transformatorer med hög densitet för att få förnybar energi till elnätet. Projektet, en solportomvandlare med tre portar, ökar effekttätheten och gör det möjligt för den fotovoltaiska energikällan att ansluta direkt till transformatorn som ansluts till lagringsenheten.
"Vi arbetar med en myriad av geometrier, "sa McHenry." Vårt jobb är att skapa material, lämna den sedan till de människor som kommer att använda den i sina produkter. Det är verkligen materialen som möjliggör kraft- och energitillämpningar; alla rider på materialets utvecklingshäst. "
