El motor eléctrico va a cambiar para siempre: el método para fabricarlo más ligero y eficiente sin usar los cables de cobre

Uno de los elementos decisivos para mejorar la autonomía de los coches y otros vehículos eléctricos es reducir su peso. Sin embargo, cada vez dependen más de la electrónica, lo que supone kilos y kilos de cableado de cobre también en el motor, lo que impide aumentar su ligereza sin comprometer su rendimiento.

Al menos hasta ahora, ya que un equipo de investigadores del Instituto Coreano de Ciencia y Tecnología (KIST), con sede en Seúl, ha desarrollado un nuevo tipo de cableado ligero y altamente conductor a base de nanotubos de carbono (CNT) que elimina por completo el cobre y otros elementos metálicos.

"Al desarrollar un nuevo concepto de tecnología CNT de alta calidad que nunca antes había existido, hemos podido maximizar el rendimiento eléctrico de las bobinas CNT para accionar motores eléctricos sin metal", sostiene Dae-Yoon Kim, uno de los autores de un estudio publicado en la revista Advanced Composites and Hybrid Materials.

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La clave para lograrlo es un nuevo proceso llamado "texturización de superficies asistida por cristales líquidos liotrópicos" (LAST, por sus siglas en inglés), que permite aunar tres propiedades fundamentales: conducción de electricidad, flexibilidad y ligereza. Y, como bien señalan, "reducir el peso de un vehículo no solo reduce el consumo de energía, sino que también mejora la eficiencia de la batería y aumenta su autonomía".

El abanico de posibles aplicaciones es muy amplio, pero se centra sobre todo en la fabricación de motores para vehículos eléctricos, además de sistemas aeroespaciales y electrónica flexible de alto rendimiento, donde cada gramo cuenta. Además, al prescindir de metales como el cobre o el aluminio, se evita la extracción de estos minerales, lo que reduce enormemente la huella de CO2.

Motores sin cables metálicos

Hoy en día, la electrónica desempeña un papel crucial en el funcionamiento de cualquier vehículo. El aumento de los sistemas de asistencia a la conducción y de los estándares de seguridad ha traído consigo una complejidad técnica mucho mayor.

Cada uno de estos sistemas necesita su propia fuente de energía y control, lo que se traduce en una red eléctrica cada vez más extensa. No es raro que los coches actuales alberguen más de 40 kg de cableado con grosores que van desde 1 mm hasta 1 cm, y cuya longitud total puede superar los dos kilómetros.

Diagrama con los componentes del nuevo motor con cables CNT KIST Omicrono

Por eso es tan importante el avance de los investigadores del KIST, que han logrado fabricar cables eléctricos compuestos con núcleo y revestimiento (CSCEC, por sus siglas en inglés), sin necesidad de cobre ni otros componentes metálicos.

Cada uno de estos cables tiene un grosor de solo 0,3 mm, incluido el aislamiento, por lo que son tan finos como una tarjeta de visita o una cartulina. A pesar de eso, son adecuados para su uso como bobinas en los rotores, donde generan velocidad de rotación al aplicar voltaje.

Para conseguir este resultado, los ingenieros surcoreanos recurrieron al revolucionario proceso LAST, basado en una fase de la materia en la que fluye como un líquido pero continúa comportándose como un cristal a nivel estructural. Eso permite mantener los nanotubos de carbono individuales, que tienden a agruparse, perfectamente alineados y separados.

Una vez aplicado un enjuague químico, se eliminan las impurezas del catalizador metálico creadas durante la fabricación, manteniendo la estructura nanométrica unidimensional de los CNT.

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Este proceso aumenta la conductividad de anteriores cables basados en nanotubos en más de un 130% y reduce su peso hasta un 80%, sin alterar el rendimiento de los cables durante periodos de tiempo prolongados.

La fase experimental consistió en fabricar un motor completamente libre de metal, usando estos cables como bobina del rotor junto a componentes como escobillas, conmutador y estator. Bajo condiciones sin carga, el motor mostró una velocidad de rotación que aumentó de 540 a 3.420 rpm al incrementar el voltaje de 2 V a 3 V.

Se comprobó también una operación estable durante al menos una hora a potencias de 2.0 a 3.5 W, confirmando la durabilidad y fiabilidad del sistema.

Prueba de concepto

Para demostrar su aplicabilidad práctica, los equipos conectaron este motor a un coche en miniatura. El vehículo recorrió 10 metros sobre asfalto en 25 segundos, alcanzando velocidades que ponen de relieve que el motor sin metal puede igualar el desempeño de uno convencional en términos de velocidad específica por miligramo, con solo un 6% de ventaja por parte del cobre.

Las aplicaciones prácticas de este nuevo desarrollo son considerables. Este tipo de cableado podría sustituir al metal en múltiples aplicaciones donde el peso y la eficiencia energética son factores clave, desde coches eléctricos más livianos hasta drones, satélites o componentes electrónicos flexibles.

Además, al prescindir de metales, se abre la puerta a una tecnología mucho más sostenible, con menor impacto ambiental y menos dependencia de la minería.

Ilustración de los investigadores del KIST KIST Omicrono

Sin embargo, no todo son buenas noticias. Este nuevo cableado todavía no llega a la conductividad eléctrica del cobre, lo que limita la potencia final del motor. De hecho, el motor con CNT desarrollado por los investigadores del KIST alcanzó un máximo de 3.420 rpm, frente a las 18.120 rpm de su equivalente de cobre, eso sí, con un peso cinco veces superior.

En cuanto al coste, de momento también hay una diferencia abismal. Los cables CSCEC fabricados en laboratorio tienen un precio estimado de entre 350 y 450 euros por cada kilo, mientras la misma cantidad de cable de cobre puede encontrarse por menos de 10 euros.

Además, la sustitución de un tipo de cable por otro no sería tan sencilla, al menos en los productos ya existentes. El rediseño debería ser total para poder adaptarse a la nueva geometría de bobinado y los tipos de aislamiento.

En cuanto a sus planes de futuro, el equipo de investigación propone mejorar todavía más la conductividad de estos cables. Para lograrlo, entre sus próximos objetivos están explorar nuevas configuraciones de CNT, utilizar materiales aislantes con mejores propiedades térmicas y diseñar motores con arquitecturas más complejas y eficientes.