Электродвигатели преобразуют электрическую энергию в механическую. На протяжении веков человечество достигло такого мастерства в повышении эффективности этих двигателей, что практически вся создаваемая ими энергия беспрепятственно преобразуется в мощность и не теряется в виде тепла. Для этого инженеры используют магнитомягкие крупнозернистые сплавы железа, однако они работают не безупречно.

Это связано с тем, что большинство двигателей состоит из ротора и неподвижного статора, который генерирует переменное магнитное поле, изменяющееся со временем как по силе, так и по направлению. Этот процесс перемагничивания расходует энергию каждый раз, когда магнитные свойства кристаллической структуры должны изменить свою ориентацию. Это, в свою очередь, приводит к выделению тепла в процессе, известном как «потери в сердечнике». Чем быстрее работает двигатель, тем больше теряется эффективность — и эта потеря становится всё более существенной по мере уменьшения размеров двигателей.

Кто-то может сказать, что это просто естественный ход вещей, и смириться с тем, что металлы на основе железосодержащих сплавов всегда будут терять немного энергии в результате этого фундаментального физического процесса. Но исследователи из Университета Саарланда не удовлетворились таким ответом. Вместо этого они изучают способы замены этих традиционных материалов на более необычные виды металлов.

«Мы хотим заменить эти традиционные кристаллические сплавы аморфными, стеклоподобными, поскольку они практически не теряют энергию при перемагничивании, — заявил в пресс-релизе Ральф Буш из Университета Саарланда. — Потери резко снижаются, когда кристаллиты имеют чрезвычайно малые размеры, то есть имеют нанокристаллическую структуру, или когда кристаллическая структура отсутствует вовсе, то есть материал является стеклоподобным или аморфным».

«Металлическое стекло» может показаться оксюмороном, по крайней мере с точки зрения структурной целостности. Стекло — вообще загадочный материал. Оно, безусловно, является твёрдым телом, но его частицы расположены беспорядочно (или аморфно), как в жидкости, что побуждает некоторых описывать стекло как «жидкость в застывшем состоянии». Именно аморфная природа стекла интересует Буша и его команду, поскольку она позволяет им создавать материал, который оказывается ещё и прочнее стали. Тщательно подбирая виды атомов, учёные могут фактически «заморозить» эти атомы на месте при охлаждении, формируя неупорядоченную структуру, похожую на стекло, — отсюда и название «металлическое стекло». И оказывается, что эта аморфная структура особенно хорошо подходит для минимизации потерь энергии при перемагничивании.

«Поскольку металлические стёкла не содержат кристаллитов, магнитные области — известные как домены или области Вейса — не заблокированы и могут свободно переориентироваться при изменении магнитного поля, — сказал Буш в пресс-релизе. — Магнитные свойства металлических стёкол поэтому исключительно хорошо подходят для использования в электродвигателях».

Эти детали из металлического стекла можно изготавливать как с помощью традиционных технологий литья под давлением, так и с помощью 3D-печати, что и является основной темой проекта под названием «Аддитивное производство аморфных металлов для магнитомягких материалов», получившего финансирование в размере нескольких миллионов евро от Европейского союза. Найти идеальный сплав было нелегко — материал должен был легко стекловаться (то есть превращаться в стекло), обладать свойствами, необходимыми для изготовления деталей двигателя, и поддаваться 3D-печати.

«Прорыв произошёл чуть больше года назад, — сказал Буш. — Исследователи […] выявили три сплава, которые сопротивляются кристаллизации и обладают свойствами, необходимыми для успешной печати полностью стеклоподобных металлических компонентов двигателя».

Конечно, то, что звучит хорошо в лаборатории, может быстро оказаться неосуществимым в промышленных масштабах. Буш и его команда планируют совершенствовать процесс аддитивного производства, известный как лазерная плавка порошкового слоя (L-PBF), чтобы повысить надёжность результатов.