Artykuł ten został opublikowany we współpracy z Horizon, unijnym magazynem poświęconym badaniom i innowacjom.
Silniki elektryczne są w dużej mierze niewidzianymi końmi pociągowymi współczesnego życia. Zasilają wszystko, od pralek po sprzęt fabryczny. Indywidualnie wiele z nich jest już bardzo wydajnych. Ponieważ jednak są ich miliardy, nawet niewielkie ulepszenia mogą przełożyć się na znaczne oszczędności energii.
Kiedy hiszpańska naukowiec dr María Teresa Pérez Prado dowiedziała się, ile energii elektrycznej w Europie zużywają silniki elektryczne, była zdumiona: oszacowano, że będą one odpowiadały za ponad 50% całej energii elektrycznej zużywanej w UE w 2020 r.
„Kiedy odkryłam te liczby, byłam całkowicie zdumiona” – powiedziała i stało się to trwałym źródłem motywacji w jej pracy.
Oczekuje się, że poprawa wydajności silników za pomocą środków ekoprojektu – przepisy UE określające minimalne standardy efektywności energetycznej, jakie muszą spełniać produkty, aby mogły być sprzedawane w ramach bloku – pozwoli zaoszczędzić około 106 TWh energii elektrycznej rocznie do 2030 r. Odpowiada to w przybliżeniu rocznemu zużyciu energii elektrycznej w Holandii i zmniejszyłoby rachunki za energię o około 20 miliardów euro rocznie.
Pérez Prado prowadzi badania nad zaawansowanymi stopami i drukiem 3D z metali w Instytucie Materiałów IMDEA w Madrycie w Hiszpanii. W ramach finansowanej ze środków UE inicjatywy badawczej AM2SoftMag, która zakończyła się w lutym 2026 r., pomogła opracować nowe techniki produkcyjne, które mogą znacznie zwiększyć wydajność silników elektrycznych jutra.
Nowa generacja materiałów
Wyzwanie to nabrało jeszcze większej pilności po przyjęciu w lipcu 2026 r. unijnego planu działania na rzecz elektryfikacji, mającego na celu przyspieszenie przejścia z paliw kopalnych na energię elektryczną w Europie. Ale elektryfikacja nie polega po prostu na wytwarzaniu większej ilości energii elektrycznej. Oznacza to także efektywniejsze korzystanie z niego.
Dlatego badacze w całej Europie wykraczają poza inżynierię konwencjonalną i skupiają się na powstającej dziedzinie zwanej materiałami zaawansowanymi. Projektując całkowicie nowe materiały o unikalnych właściwościach, mają nadzieję zmniejszyć straty energii, zmniejszyć zależność od surowców krytycznych i wzmocnić wiodącą pozycję technologiczną Europy.
„
Po raz pierwszy te szkliste metale zostały wykorzystane w komponentach silników elektrycznych.Dr Ralf Busch, AM2SoftMag
Koordynatorem tych wysiłków jest profesor Ralf Busch, który kieruje katedrą materiałów metalicznych na Uniwersytecie Saary w Niemczech i koordynuje badania AM2SoftMag.
Zamiast poszukiwać coraz większych korzyści z konwencjonalnych materiałów silnikowych, Busch spędził lata na poszukiwaniu czegoś znacznie bardziej radykalnego: zupełnie innego rodzaju metalu, znanego jako szkło metaliczne.
W przeciwieństwie do zwykłych metali, których atomy podczas chłodzenia układają się w uporządkowane struktury krystaliczne, metaliczne szkła zamarzają, tworząc nieuporządkowaną strukturę przypominającą szkło. Ta pozornie subtelna różnica radykalnie zmienia sposób, w jaki zachowują się one wewnątrz silnika elektrycznego.
„W szkle metalicznym nie ma cech mikrostruktury, jest to zamrożona ciecz bez przeszkód” – wyjaśnił Busch.
Wewnątrz każdego silnika elektrycznego pola magnetyczne stale zmieniają kierunek. Konwencjonalne materiały magnetyczne są odporne na te zmiany, marnując energię w postaci ciepła. Szkła metaliczne pozwalają domenom magnetycznym poruszać się znacznie swobodniej, zmniejszając te straty. Nawet niewielkie ulepszenia mogą mieć duży wpływ.
Drukowanie niemożliwego
Wynalezienie stopu było jednak tylko pierwszym wyzwaniem. Naukowcy musieli także znaleźć sposób na wytwarzanie elementów silników bez niszczenia bardzo przypominającej szkło struktury, która nadaje materiałowi jego niezwykłe właściwości.
Zadanie to przypadło Pérez Prado i jej współpracownikom z IMDEA Materials. Wykorzystując zaawansowaną laserową produkcję przyrostową, lepiej znaną jako druk 3D z metalu, udało im się wyprodukować komponenty, które zachowały niezwykłą szklaną strukturę wewnętrzną materiału, dokładnie kontrolując sposób schładzania każdej mikroskopijnej warstwy po przejściu przez nią lasera.
„Jedynym sposobem na utworzenie tak nieuporządkowanej struktury jest chłodzenie ciekłego stopu z prędkością około miliona stopni Celsjusza na sekundę” – wyjaśnił Pérez Prado. Proces wymagał niezwykłej precyzji: zbyt dużo ciepła powodowałoby krystalizację materiału i utratę właściwości, które przede wszystkim czyniły go atrakcyjnym.
Przełom przyciąga coraz większą uwagę. „Otrzymujemy obecnie prośby o te materiały od innych zespołów akademickich w Europie” – powiedziała.
Busch był równie podekscytowany. „Po raz pierwszy te metale podobne do szkła zostały wykorzystane w komponentach silników elektrycznych. To ważny krok w kierunku wyprowadzenia tej technologii z laboratorium” – powiedział.
Przekształcanie nowych materiałów w lepsze silniki
Oprócz opracowania i wydrukowania materiału kolejnym pytaniem było, czy te komponenty mogą zapewnić znaczące ulepszenia wewnątrz działającego silnika elektrycznego.
Matthias Nienhaus, profesor na Uniwersytecie Saary i inżynier specjalizujący się w napędach elektrycznych i silnikach o wysokiej wydajności, kierował pracami w ramach projektu nad integracją nowych materiałów w praktycznych konstrukcjach silników.
„Jeśli uda nam się zwiększyć ich efektywność choćby o jeden procent, zaoszczędzimy dużo energii” – powiedział.
„
Jeśli uda nam się zwiększyć ich efektywność choćby o jeden procent, zaoszczędzimy dużo energii.Dr Matthias Nienhaus, AM2SoftMag
Ostatecznie naukowcy mają nadzieję, że w niektórych zastosowaniach możliwa będzie poprawa nawet o 5%. Korzyści mogą wykraczać daleko poza niższe rachunki za energię elektryczną.
Bardziej wydajne silniki umożliwiłyby pojazdom elektrycznym, dronom i narzędziom zasilanym akumulatorowo dalsze podróżowanie przy użyciu mniejszych akumulatorów. Mogłyby także zmniejszyć popyt na surowce krytyczne.
Niektóre przyszłe projekty silników wykorzystujące zaawansowane miękkie materiały magnetyczne mogą nawet zmniejszyć zależność Europy od magnesów trwałych wykonanych z pierwiastków ziem rzadkich, których globalne łańcuchy dostaw są obecnie zdominowane przez Chiny.
Od laboratorium do przemysłu
Praca ta to nadal badania podstawowe, ale fundamenty zaczynają się układać.
Zespół Buscha opracował nowe stopy metaliczno-szklane niezawierające kobaltu, zmniejszając zależność od innego krytycznego surowca, wiążącego się z ryzykiem dostaw i problemami środowiskowymi.
Zespół Péreza Prado wykazał, że stopy te można wytwarzać za pomocą druku 3D z metalu. Nienhaus i jego współpracownicy pracują obecnie nad optymalizacją kompletnych silników elektrycznych zbudowanych w oparciu o nowe komponenty.
Mimo to nadal istnieją wyzwania. Naukowcy muszą jeszcze udoskonalić proces drukowania na potrzeby produkcji na skalę przemysłową i jeszcze bardziej zmniejszyć straty elektryczne wewnątrz gotowych komponentów.
„To zdarza się w badaniach” – powiedział Nienhaus. „Zaczynasz od odpowiedzi na jedno pytanie, ale generujesz nowe pytania”.
Uważa jednak, że potencjalne nagrody uzasadniają ten wysiłek: „Wiele urządzeń jest obecnie zasilanych bateryjnie. Zwiększenie wydajności silników elektrycznych oznacza, że urządzenia te mogą działać dłużej bez konieczności stosowania większych baterii”.
W miarę jak Europa przyspiesza transformację w kierunku coraz bardziej zelektryfikowanej gospodarki, tego typu innowacje ilustrują, dlaczego zaawansowane materiały szybko przenoszą się ze specjalistycznych laboratoriów do centrum europejskiej polityki przemysłowej.
Czasami transformacja technologii kształtujących codzienne życie zaczyna się nie od nowej maszyny, ale od zupełnie nowego sposobu myślenia o materiałach, z których jest wykonana.
Badania opisane w tym artykule zostały częściowo sfinansowane przez Europejską Radę ds. Innowacji (EIC). Poglądy rozmówców niekoniecznie odzwierciedlają stanowisko Komisji Europejskiej. Jeśli spodobał Ci się ten artykuł, rozważ udostępnienie go w mediach społecznościowych.
Artykuł ten został pierwotnie opublikowany w Horizon, unijnym magazynie poświęconym badaniom i innowacjom
