Są technologie, które robią wrażenie od razu, bo widać je na zdjęciu, w specyfikacji albo na wykresie wydajności. Są jednak i takie, które dla przeciętnego użytkownika pozostają całkowicie niewidoczne, choć to właśnie one decydują np. o tym, ile energii urządzenie marnuje na samym starcie. W świecie elektryfikacji ten drugi rodzaj zmian jest szczególnie ważny, bo kiedy mówimy o dronach, rowerach elektrycznych czy małej elektronice, każdy stracony wat przekształcony w ciepło ma później swoją cenę w czasie pracy, temperaturze i kulturze działania. Właśnie dlatego warto zwrócić uwagę na projekt z Niemiec.
Naukowcy z Saarland University nie próbują bowiem dołożyć silnikom “więcej wszystkiego”. Zamiast tego chcą wymienić materiał, z którego powstają kluczowe elementy napędu, licząc na to, że sam proces pracy silnika stanie się mniej stratny. Takie podejście jest znacznie mniej widowiskowe niż obietnice rewolucyjnych akumulatorów, ale może się okazać ważniejsze tam, gdzie liczy się każdy gram i każda minuta pracy.
Problem elektrycznego napędu nie leży tylko w akumulatorze
Silnik elektryczny nie zamienia całej dostarczonej energii w ruch. Część znika po drodze w postaci strat, a jednym z ważnych źródeł strat są tzw. straty w rdzeniu, obejmujące m.in. histerezę i prądy wirowe. Są to zjawiska wbudowane w samą naturę pracy magnetycznego rdzenia, kiedy pole magnetyczne zmienia się w czasie. Problem szczególnie doskwiera małym silnikom i układom pracującym szybko, czyli dokładnie tam, gdzie lądują dziś napędy dronów, lekkich pojazdów i wielu urządzeń domowych.
Czytaj też: Istna bomba od Brytyjczyków. Nowatorski silnik zapewnia 98,2% sprawności
Badacze uderzają więc w bardziej podstawowy poziom, bo bezpośrednio w materiał statora i rotora. Jeśli ten materiał sam z siebie stawia mniejszy opór podczas kolejnych cykli przemagnesowania, to silnik mniej energii odda w formie ciepła. W teorii brzmi to jak bardzo eleganckie rozwiązanie, ale w praktyce właśnie tu zaczynają się schody.
Metaliczne szkło, czyli metal bez klasycznego porządku
Sercem nowego projektu z Niemiec są amorficzne stopy metaliczne zwane też mianem “metalicznego szkła” (metallic glass). Mimo efektownej nazwy nie chodzi o kruchy materiał przypominający szybę, ale o metal o nieuporządkowanej strukturze atomowej. Taki materiał nie ma klasycznej sieci krystalicznej, dzięki czemu domeny magnetyczne mogą łatwiej zmieniać orientację przy odwracaniu pola magnetycznego. Właśnie dlatego straty podczas przemagnesowania mają być znacznie niższe niż w konwencjonalnych stopach. Co jednak najciekawsze, badane przez nich stopy zawierają około 70-80% żelaza, a sam materiał ma być nawet wytrzymalszy od stali.
To nie jest zresztą pierwszy przypadek, kiedy amorficzne i nanokrystaliczne materiały magnetyczne są wskazywane jako droga do poprawy sprawności napędów. Różnica polega na tym, że tutaj nie mówimy wyłącznie o materiale “na papierze”, ale o próbie realnego wytworzenia gotowych części silnika. Naukowcy nie zatrzymali się bowiem na stwierdzeniu, że materiał ma potencjał, tylko próbują przełożyć go na element, który da się włożyć do napędu.
Druk 3D nie jest tu dodatkiem. Jest warunkiem powodzenia
Te badania były prowadzone w ramach projektu AM2SoftMag, finansowanego z Horizon Europe Pathfinder Open. Wsparcie wyniosło 3,5 mln euro, co daje to około 14,9 mln zł. Projekt trwał od 2022 do lutego 2026 roku, a konsorcjum znalazły się podmioty z Niemiec, Hiszpanii, Włoch i Polski. Polskim partnerem jest warszawski AMAZEMET, wskazany jako firma zajmująca się produkcją proszków metalicznych, która najwyraźniej odegrała znaczną rolę, patrząc na charakter dzieła.
Czytaj też: Modernizacja wojskowego dziadka trwa. Silniki starsze niż piloci odchodzą na emeryturę
AM2SoftMag opiera się na selektywnym topieniu proszku laserem, czyli technice SLM, określanej też jako Laser Powder Bed Fusion. Jest to próba zaprojektowania stopów i proszków z myślą o addytywnej produkcji komponentów silników. Saarland University dodaje do tego kluczowy detal – kolejne warstwy budowanych części mają około 50 mikrometrów grubości, czyli 0,05 mm. To właśnie tak ścisła kontrola procesu chłodzenia i budowy ma pozwolić utrzymać materiał w stanie amorficznym, bez niepożądanego krystalizowania.
Tutaj pojawia się najciekawszy paradoks całej historii. Materiał ma być lepszy właśnie dlatego, że nie tworzy klasycznej struktury krystalicznej, ale sam proces wytwarzania bardzo łatwo może tę przewagę zniszczyć, jeśli chłodzenie lub parametry lasera będą nieodpowiednie. Dlatego zespół nie mówi dziś o pełnej gotowości rynkowej, tylko o dalszym dostrajaniu parametrów produkcji. Innymi słowy, największy sukces tego projektu nie polega jeszcze na tym, że ktoś wydrukował kilka części, ale na tym, że po przetestowaniu setek stopów udało się wytypować trzy, które da się drukować i zachować ich “szklaną” strukturę.
Brzmi świetnie, ale warto zadać kilka niewygodnych pytań
Tu właśnie kończy się nośna opowieść o dronach latających dłużej i rowerach jadących dalej, a zaczyna mniej widowiskowa część całego tematu. Komunikat Saarland University mówi o potencjale obniżenia zużycia energii, mniejszym grzaniu się napędów i możliwości wydłużenia czasu pracy urządzeń, ale nie pokazuje jeszcze publicznie twardego wyniku w rodzaju “o 12% dłuższy lot konkretnego drona” albo “o 8 km większy zasięg gotowego e-bike”. To nie zarzut wobec samych badaczy, tylko przypomnienie, że jesteśmy nadal bliżej etapu materiałowo-procesowego niż końcowego, konsumenckiego produktu.
Czytaj też: Najbardziej niepokojąca zmiana wojny nie ma silnika ani skrzydeł. Ma za to sztuczną inteligencję
Druga kwestia dotyczy przemysłu. Naukowcy sami przyznają, że kolejnym krokiem jest dopiero dopracowanie procesu tak, aby działał niezawodnie oraz w skali przemysłowej. To bardzo istotne zastrzeżenie. Sugeruje ono, że nie mówimy jeszcze o gotowym zamienniku dla każdego klasycznego silnika, lecz raczej o technologii, która dopiero walczy o powtarzalność, koszt i sens wdrożenia poza laboratorium. W praktyce więc najbliższe lata pokażą nie tyle, czy materiał “działa”, ale czy jego zalety są na tyle duże, by uzasadnić bardziej złożoną produkcję.
Źródła: EurekAlert!, NREL, CORDIS
