Sin duda alguna, los motores eléctricos son una tecnología consolidada –ha transcurrido más de un siglo entre el invento del motor de inducción de Nikola Tesla y el lanzamiento del coche eléctrico de Tesla.
Aun así, todavía hay margen para alcanzar una mayor eficiencia energética, reducir su coste de producción, mejorar su resistencia, disminuir la cantidad de calor residual que generan y reducir su peso.
Eso es fundamental. Los motores eléctricos no solo consumen la mitad de la electricidad del mundo en impulsar gran parte de la vida moderna (desde ventiladores, compresores, bombas y aparatos hasta los motores de coches y camiones), sino que una mayor eficiencia también abriría nuevas y emocionantes posibilidades como los vuelos comerciales impulsados por electricidad.
Beneficios poco comunes
La interacción de fuerzas magnéticas es lo que hace que los motores eléctricos funcionen. Estas fuerzas provienen de una combinación de imanes permanentes y campos fluctuantes típicamente creados por el flujo de electricidad a través de hilo de cobre enrollado. Esto puede generar un calor residual considerable que puede afectar al rendimiento del motor. Por ello, los científicos están avanzando la tecnología del motor eléctrico sacando un mayor partido de los imanes permanentes, entre otras líneas de desarrollo.
Los imanes permanentes más potentes están elaborados a partir de elementos de tierras raras que, como su propio nombre indica, son caros. Jun Cui, un científico experimentado que trabaja en el Ames Laboratory del Departamento de Energía de EE. UU., está investigando alternativas más económicas. Entre las candidatas se incluyen aleaciones de manganeso de bajo coste que, además, cuentan con la ventaja de ser ligeras, y ferritas. No obstante, encontrar el sustituto adecuado implica superar algunos obstáculos importantes.
Diseño dual
"Los imanes permanentes presentan dos problemas de ingeniería, incluidos los nuevos candidatos", comenta Cui. Uno es la dependencia de la temperatura y el otro es la fragilidad.
"Por supuesto, las máquinas que dependen de imanes están diseñadas para funcionar por debajo del umbral de desmagnetización, pero si un motor se calienta, puede desmagnetizarse completamente", explica Cui.
La solución tradicional es incorporar el disprosio metálico de tierras raras ya que es capaz de estabilizar un imán a temperaturas altas. Sin embargo, además de ser caro, el disprosio es suministrado casi exclusivamente por China. "Ese monopolio representa un problema real", asegura Cui.
Otro problema es que los imanes permanentes más potentes son a la vez los más duros, lo que significa que también son los más frágiles. De hecho, tanto que hasta el 30% de ellos se rompen durante el proceso de fabricación.
"La tasa de mecanizado de estos imanes es aproximadamente del 70%", afirma Cui. "Estamos intentando resolver este problema de fragilidad".
El laboratorio de Cui está considerando varios planteamientos para impedir que la tendencia a la fracturación se propague en una microestructura de imán, incluida la integración de fibras finas y nanotubos de carbón que funcionen como lo hace el acero en el hormigón armado.
Ventiladores para volar
En la Universidad de Arkansas, Fang Luo, un profesor adjunto de ingeniería, tiene importantes planes para accionamientos de motor eléctrico avanzados. Su idea es que sustituyan los componentes propulsados por combustibles fósiles en motores de dimensiones verdaderamente grandes. Por ejemplo, los motores de reacción, que Luo describe como "básicamente, ventiladores potentes de gran velocidad", podrían llegar a ser accionados por electricidad. "Los sistemas de propulsión eléctrico reducirán los costes de transporte y disminuirán las emisiones de dióxido de carbono", añade Luo.
Un componente esencial que deberá mejorarse es el accionamiento del motor, es decir, el aparato electrónico que controla la velocidad del motor, que es el ámbito de especialización de Luo. Cuanto más potente sea el motor, más calor genera el accionamiento.
"No quieres asar a tus pasajeros", comenta Luo. "Necesitas mucho espacio y peso para gestionar ese calor. Estas piezas adicionales para la gestión del calor disminuirán el beneficio general de sustituir los motores propulsados por combustibles fósiles.
Para superar esto, debe incrementarse la eficiencia y reducirse el peso todo lo posible.
Una solución con la que Luo está experimentando es lo que él llama carburo de silicio "mágico" o SiC: "un nuevo material que aporta un rendimiento mucho mejor que los dispositivos de silicio que hemos estado empleando durante tantos años".
El sistema electrónico SiC pierde solo una décima parte de la potencia que pierde el silicio convencional en un motor eléctrico, lo que significa que los accionamientos de motor electrónicos propulsados por sistemas SiC pueden ser mucho más pequeños que las opciones actuales. Luo está trabajando en un prototipo de accionamiento de motor basado en esta tecnología con sus compañeros del Centro para la Optimización de la Potencia en Sistemas Electrotérmicos respaldado por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU.
"Si realmente se quiere reducir el tamaño de los sistemas motor-accionamiento, esto ya no es solo cuestión de ingeniería eléctrica. Se trata de un esfuerzo interdisciplinario", concluye Luo.
