Silnik elektryczny jest jednym z tych wynalazków, które tak bardzo spowszedniały, że przestaliśmy dostrzegać ich znaczenie. Kręci wentylatorem, napędza samochód, porusza robotem, pracuje w dysku, pralce, pompie, narzędziach, dronach i tysiącach urządzeń, które uruchamiamy bez żadnej refleksji. Przez ponad sto lat jego techniczna podstawa była jednak związana głównie z magnetyzmem. Uzwojenia, pola magnetyczne, magnesy trwałe, metalowe wirniki. Wydawało się to nie do ruszenia… aż tu nagle ktoś w Japonii wziął ferroelektryczny płyn, dwa elektrody, żywiczny element i pokazał, że ruch można uzyskać drogą, którą przez dekady traktowano jak ciekawostkę.
Elektryczność nie musi działać przez magnesy
Wydaje mi się, że najłatwiej zrozumieć wagę tego eksperymentu przez kontrast z tym, co znamy. Klasyczny silnik elektromagnetyczny wykorzystuje prąd do tworzenia pola magnetycznego, a pole magnetyczne do wymuszania ruchu. Konstrukcje mogą być różne – od prostych silników szczotkowych po zaawansowane jednostki z magnesami trwałymi, ale wspólny fundament pozostaje podobny. Potrzebujemy materiałów magnetycznych, metalu, cewek, zwykle miedzi, często magnesów zawierających neodym albo dysproz. Przy małym wentylatorze nikt się tym szczególnie nie przejmuje. Jednak przy milionach aut elektrycznych, robotów, turbin i urządzeń przemysłowych zaczyna się poważna rozmowa o łańcuchach dostaw.
Czytaj też: Chińczycy odkurzyli silnik z XIX wieku. Teraz może zmienić auta, roboty i latające maszyny
Problem surowcowy widać przy nowych magnesach bez metali ziem rzadkich, przy odzysku dysprozu z magnesów neodymowych i przy kolejnych próbach obejścia zależności od pierwiastków, które stały się podstawą współczesnej elektroniki oraz elektromobilności. Silniki elektryczne są więc już nie tylko tematem technicznym. Są tematem gospodarczym, politycznym i środowiskowym. Każda metoda pozwalająca zbudować napęd bez magnesów trwałych brzmi przez to bardziej interesująco niż zwykła byle demonstracja.
Tyle że “brak magnesów” sam w sobie nie wystarczy. Inżynieria jest brutalna. Pomysł może być piękny, ale jeśli wymaga absurdalnych napięć, daje mikroskopijną siłę albo działa tylko w warunkach oderwanych od praktyki, to szybko ogranicza się do publikacji. Z elektrostatyką mieliśmy właśnie taki problem mieliśmy przez długi czas. Każdy przecież dobrze zna zjawisko przyciągania elektrostatycznego, choćby z włosów unoszących się po potarciu balonem. Taka demonstracja dobrze wygląda w szkole, ale trudno na niej oprzeć napęd, który ma zastąpić kawałek współczesnego przemysłu. Jednak czy aby na pewno?
Siła, którą przez lata uznawano za zbyt słabą
Zespół Tatsuhiro Tsukamoto i Suzushiego Nishimury z Institute of Science Tokyo zajął się czymś, co w teorii było znane od bardzo dawna, ale nie budowało wielkich obietnic. Chodzi o poprzeczną siłę elektrostatyczną, czyli składową naprężenia Maxwella działającą prostopadle do przyłożonego pola elektrycznego. W zwykłych materiałach efekt pozostaje mizerny, więc elektrostatyczne aktuatory kojarzyły się głównie z mikroskalą, wysokimi napięciami i wyspecjalizowanymi zastosowaniami. Nie z silnikami, które mogłyby zmienić sposób myślenia o ruchu.
Przełom pojawia się dopiero przy ferroelektrycznych nematycznych ciekłych kryształach. Niby nadal mówimy o płynie, ale nie o byle cieczy, którą można porównać z olejem silikonowym. Taki materiał ma spontaniczną polaryzację, a jego cząsteczki potrafią ustawiać się zbiorowo w sposób, który radykalnie wzmacnia odpowiedź na pole elektryczne. W uproszczeniu? Zamiast czekać, aż słaba elektrostatyka łaskawie coś poruszy, naukowcy wykorzystali materiał, w którym porządek molekularny pomaga tej sile urosnąć do odpowiedniej skali.
W eksperymencie specjaliści wykorzystali mieszaninę DIO i DIO-CN, czyli ciekły kryształ z ferroelektryczną fazą stabilną w zakresie 22-52°C. Między dwiema elektrodami oddalonymi o 2,5 mm umieścili płyn, przyłożyli napięcie i obserwowali zachowanie cieczy. Przy polu 28 V/mm płyn podniósł się o ponad 80 mm, a więc o ponad 8 cm. Płyny kontrolne, a w tym olej silikonowy, nie wykazały takiego efektu. Poprzeczne naprężenie przekraczało 1000 N/m², czyli wartość na tyle dużą, by zacząć myśleć nie o ciekawostce, lecz o aktuatorze.
Naukowcy poszli krok dalej i zadali pytanie, które w dobrych badaniach inżynieryjnych powinno padać częściej, bo skoro siła potrafi przesuwać materiał, to czy można z niej zrobić obrót?
Plastikowy wirnik podstawą eksperymentu
W klasycznym silniku trudno uciec od myślenia o metalu, uzwojeniach i magnesach. Jednak ten nowy prototyp silnika ferroelektrycznego naukowcy oparli na układzie elektrod i żywicznym wirniku zanurzonym w ferroelektrycznym płynie. Tutaj wirnik może być wykonany z żywicy, bo nie trzeba doprowadzać do niego napięcia i nie trzeba robić z niego elementu magnetycznego. Ruch wynika z oddziaływania poprzecznej siły elektrostatycznej na granicy między płynem a ruchomym elementem.
Sam prototyp miał 3-fazowy, 24-biegunowy stojan i 16-biegunowy wirnik. Został uruchomiony trójfazowym przebiegiem prostokątnym o amplitudzie 0-60 V, a obrót pojawiał się przy polu rzędu 0,03 MV/m, czyli 60 V na 2 mm szczeliny. W porównaniu z wieloma wcześniejszymi silnikami elektrostatycznymi, które wymagały pól liczonych w dziesiątkach albo setkach MV/m, jest to przeskok fundamentalny. Nie dlatego, że już jutro ktoś wstawi taki napęd do samochodu. Raczej dlatego, że oto właśnie odpada jedna z największych przeszkód elektrostatycznych mechanizmów – potrzeba wysokiego napięcia.
Czytaj też: Spalinowe silniki coraz lepsze. Nowa 2-litrowa jednostka POWALA sprawnością
Nie możemy jednak patrzeć na ten silnik jak na bezpośredniego następcę napędów w autach elektrycznych. Przynajmniej nie na obecnym etapie. Mamy bowiem dopiero demonstrację zasady, a nie gotowy produkt o znanej sprawności, trwałości, odporności na temperaturę, konkretnych kosztach produkcji i zachowaniu po tysiącach godzin pracy. Sam płyn też nie jest magicznym materiałem z półki sklepowej. Mówimy o konkretnym ciekłym krysztale, kontrolowanej temperaturze i prototypie badawczym.
Droga od takiego układu do masowego silnika jest długa, a w wielu zastosowaniach może się okazać zbyt długa, żeby była opłacalna. Przewaga może pojawić się nie tam, gdzie dziś królują potężne napędy trakcyjne, ale tam, gdzie liczą się masa, brak pola magnetycznego, precyzja, prostota ruchomego elementu i niskie napięcie. Robotyka precyzyjna, małe mechanizmy, urządzenia medyczne, aktuatory w środowiskach wrażliwych magnetycznie, miniaturowe układy wykonawcze – właśnie tam taki kierunek zaczyna wyglądać najrozsądniej.
Najciekawsza jest zmiana logiki napędu
Nagłówek o “plastikowym silniku” dobrze działa na wyobraźnię, ale może też trochę spłaszczać temat. Plastikowy wirnik jest ważny, bo zmniejsza masę i bezwładność, a do tego upraszcza konstrukcję. Nie potrzebuje szczotek, pierścieni ślizgowych ani metalowego rdzenia pełniącego znaną funkcję z klasycznych silników. Jednak prawdziwa zmiana leży głębiej. Chodzi o dopisanie do katalogu napędów kolejnego mechanizmu, który wcześniej był zbyt słaby, aby traktować go poważnie.
Odkąd częściej patrzę na technologie przez pryzmat łańcuchów dostaw, coraz mniej wierzę w pojedyncze “wynalazki zbawiające świat”. Bardziej przekonują mnie rozwiązania, które zdejmują presję z jednego krytycznego punktu. Akumulatory strukturalne nie muszą od razu podwoić zasięgu aut, żeby mieć sens – wystarczy, że pozwolą inaczej projektować masę i obudowę, co dobrze widać przy akumulatorze jako elemencie konstrukcyjnym samochodu. Silniki osiowe nie muszą zastąpić wszystkich jednostek napędowych, żeby zmienić charakter wydajnych układów w ekstremalnych prototypach, o czym pisałem przy Mercedesie-AMG GT XX i jego napędzie axial flux. Ferroelektryczny silnik też nie musi od razu wygrać z całym przemysłem elektromagnetycznym. Wystarczy, że otworzy nową klasę zastosowań.
Największa obietnica brzmi więc inaczej niż w typowym haśle o rewolucji. Nie “jutro wszystkie silniki będą plastikowe”, tylko “być może część urządzeń przestanie potrzebować magnesów, miedzi i metalowych wirników tam, gdzie dotąd nie było sensownej alternatywy”. Dla mnie jest to znacznie ciekawsze, bo mniej efektowne i bardziej inżynierskie.
Przyszłość może zacząć się od małych silników
Najgorszy błąd przy takich odkryciach polega na tym, że od razu przykładamy do nich miarę samochodu elektrycznego. Skoro silnik nie napędzi auta, to znaczy, że jest nieważny. Tyle tylko, że historia technologii pełna jest rozwiązań, które najpierw żyły w niszy, bo tylko tam ich przewagi miały sens, a dopiero później wchodziły szerzej albo zostawały w wyspecjalizowanej roli, nadal zmieniając fragment rynku.
Czytaj też: Diesel miał zniknąć, a tu naukowcy pokazali jego przyszłość. Ten silnik spełnia problematyczne normy
Ferroelektryczne napędy mogą zacząć od aktuatorów, a nie od “dużych silników”. Od drobnych mechanizmów w robotach miękkich, precyzyjnego pozycjonowania, kompaktowych pomp, mikromanipulatorów, urządzeń medycznych, układów optycznych czy małych maszyn, w których metalowy wirnik i pole magnetyczne są obciążeniem. Podobny trop pojawił się już przy silniku przyszłości opartym na repulsji Maxwella, ale teraz temat wraca z mocniejszym nagłośnieniem i bardziej czytelnym przesłaniem dla osób spoza fizyki materiałowej.
Patrzę na to jak na jeden z tych momentów, w których przyszłość nie pojawia się w formie gotowego produktu, lecz w formie zmiany dopuszczalnego myślenia. Przez lata elektrostatyka była “za słaba”. Po pojawieniu się odpowiedniego materiału okazuje się, że niekoniecznie sama zasada była bezużyteczna. Być może brakowało tylko odpowiedniego nośnika, który pozwoli jej wyjść z niszy.
Źródła: Institute of Science Tokyo, Communications Engineering
