Enligt en statistik från University of Chicago, 50 procent av USA:s ström går genom en motor. Fordon som bilar och flygplan förlitar sig på motorer för att transformera kraft, liksom hushållsapparater som dammsugare och kylskåp. Eftersom detta utrymme är så stort, mer effektiva motorer kan göra en betydande skillnad i energianvändning.

När en motor arbetar för att omvandla elektrisk energi till mekanisk energi, en växelström ger ett magnetfält till de magnetiska materialen inuti motorn. De magnetiska dipolerna växlar sedan från norr till söder, och få motorn att snurra. Denna omkoppling av de magnetiska materialen får det att värmas upp, tappar energi.

Men tänk om det magnetiska materialet inte värms upp när det snurras i hög hastighet? Michael McHenry, en professor i materialvetenskap och teknik (MSE) vid Carnegie Mellon University, och hans grupp tar upp detta problem genom att syntetisera metallamorfa nanokompositmaterial (MANC), en klass av mjuka magnetiska material som är effektiva vid transformering av energi vid höga frekvenser som gör att mindre motorer kan leverera jämförbar effekt.

"En motors effekt beror på dess hastighet, "sa McHenry." När du roterar en motor i höga hastigheter, det magnetiska materialet växlar med en högre frekvens. De flesta magnetiska stål, vilket är vad de flesta motorer är gjorda av, tappar ström vid högre frekvenser eftersom de värms upp. "

För närvarande är motorer vanligtvis tillverkade av kiselstål. MANC ger ett alternativ till kiselstål och, på grund av deras höga resistivitet (hur starkt de motsätter sig en elektrisk ström), de värms inte upp så mycket och kan därför snurra med mycket högre hastigheter.

"Som ett resultat, du kan antingen krympa motorns storlek vid en given effekttäthet eller göra en motor med högre effekt i samma storlek, sa McHenry.

McHenrys grupp, i samarbete med National Energy Technology Laboratory (NETL), NASA Glenn Research Center, och North Carolina State University, håller på att designa en motor på två och en halv kilowatt som väger mindre än två och ett halvt kilo. Senast, de har jämfört det med 6, 000 varv per minut och vill bygga större som snurrar ännu snabbare. Designen, som finansieras av Department of Energy (DOE) Advance Manufacturing Office, kombinerar permanenta magneter med MANC:erna.

För att syntetisera MANC -material, McHenry och hans team stelnar snabbt flytande metaller med cirka en miljon grader per sekund. Eftersom de arbetar i laboratorieskala, de tittar på 10 gram prover och skärmar dem för deras magnetiska egenskaper. Genom olika partnerskap med partnerforskningsinstitutioner och industri, de kan ta dessa MANC och skala upp tillverkningsprocessen för användning i verkliga applikationer.

Under kraftomvandlingsprocessen i en konventionell motor, magnetiseringen av omkopplarna för motormaterial, resulterar ofta i strömavbrott. Men med MANC, förlusterna i samband med omkoppling av magnetiseringen reduceras kraftigt eftersom de är en glasartad metall snarare än en kristallin metall. Den strukturella skillnaden är på atomnivå:när materialet smälts, svalnade sedan snabbt, atomerna har inte tid att hitta positioner i ett kristallint gitter.

McHenrys grupp och samarbetspartners är några av få som visar användningen av MANC i motorer. Deras design använder också unikt sina egna patenterade material - en kombination av järn och kobolt, och järn och nickel, blandas med glasbildare. De effektiva MANC:erna möjliggör också användning av permanenta magneter till lägre kostnad, som inte kräver kritiska sällsynta jordartsmaterial, i motordesignen.

Medan forskarna testar i mindre proportioner i laboratorieskala, samarbeten med företag inom industrin och andra forskningslaboratorier kan ta dessa metaller i skala för användning inom industrin.

"Så småningom kan vi gå till högre hastigheter och högre krafter med dessa konstruktioner, "sa McHenry." Just nu jämför vi en mindre motor, och sedan ska vi försöka bygga större. Motorer har rymd, fordon, och till och med applikationer för dammsugare - motorer är viktiga i alla applikationer. Totalt sett motorer representerar en enorm användning av elektrisk kraft, så de är ett område där effektivitet kan göra stor skillnad. "