Teresa Pérez trabaja en el motor que cambiará el coche eléctrico: piezas de 'vidrio metálico' para ser más eficiente y ligero

Los motores eléctricos se han convertido en una pieza clave del proceso de descarbonización a nivel global. Están presentes en los coches como los de Tesla o BYD, pero también han llegado a las bicicletas, los drones, los robots, los barcos o los aviones. Son el presente, pero sobre todo el futuro.

De hecho, una parte importante de la carrera tecnológica actual consiste en conseguir mejoras, por pequeñas que sean, en eficiencia, peso o autonomía para estos motores, ya sea con nuevos imanes sin tierras raras, diseños de motor más compactos o bobinados libres de metales pesados.

En esa misma línea, la investigación en nuevos materiales magnéticos está ganando cada vez mayor peso, porque cambiar el interior del motor puede ahorrar energía sin tener que rediseñar por completo el sistema.

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España tiene un papel creciente en este terreno gracias a centros como el Instituto IMDEA Materiales de Madrid, en el que trabaja Teresa Pérez Prado, referente internacional en impresión 3D de metales y una de las colaboradoras del proyecto europeo AM2SoftMag, que explora el uso de los conocidos como vidrios metálicos en motores eléctricos.

Este trabajo, liderado por el físico Ralf Busch, de la Universidad del Sarre (Alemania), propone sustituir los materiales magnéticos clásicos por nuevas aleaciones que reduzcan pérdidas, generen menos calor y permitan, por ejemplo, que coches, drones y bicicletas eléctricas recorran más kilómetros con la misma batería.

“El papel de mi equipo ha sido desarrollar la fabricación de estos materiales mediante impresión 3D y entender cómo el procesado afecta a la microestructura y, en último término, a las propiedades magnéticas”, explica a EL ESPAÑOL - Omicrono Pérez Prado, que dirige desde 2008 el grupo de Metalurgia Sostenible del IMDEA.

Para ello, han tenido que “optimizar los parámetros de impresión, en concreto, del proceso llamado fusión selectiva por láser o laser powder bed fusion, desarrollar estrategias para reducir la acumulación de calor durante la impresión y correlacionar el procesado con la estructura amorfa y el comportamiento magnético”.

Vidrios metálicos

Los vidrios metálicos son un tipo de aleación que combina la resistencia mecánica de un metal con una estructura interna amorfa, similar a la de un vidrio.

Ralf Busch lleva décadas trabajando en este campo, en colaboración con agencias como la ESA y el Centro Aeroespacial Alemán, y parte de sus metales “tipo vidrio” se han probado en condiciones de microgravedad a bordo de la Estación Espacial Internacional.

Ralf Busch (izquierda) y Amirhossein Ghavimi (derecha). Pasquale D'Angiolillo / UdS Omicrono

Desde la Universidad del Sarre, su grupo ha ido orientando este conocimiento hacia aplicaciones magnéticas, con la vista puesta en mejorar la eficiencia de los motores.

Estos dispositivos eléctricos "convierten la electricidad en movimiento, pero nunca con una eficiencia perfecta", advierte Busch. "Siempre se pierde energía en el proceso y, cuanto más rápido funciona un motor, mayores son las pérdidas. Y, cuanto más pequeños son los motores, más ineficientes se vuelven, un fenómeno conocido como pérdidas magnéticas (iron loss)".

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Esto se debe, en buena parte, a que el campo magnético en el interior del motor cambia de forma continua, obligando a las regiones magnéticas del metal a reorientarse miles de veces por segundo. En las aleaciones de hierro convencionales, con estructura cristalina, esa reorientación encuentra obstáculos internos que se traducen en fricción microscópica y calor.

Los vidrios metálicos cambian las reglas del juego porque eliminan esa red cristalina. Con una mezcla adecuada de elementos y un enfriamiento muy rápido del metal fundido, los átomos "se congelan" antes de poder formar un cristal, de forma parecida a lo que ocurre cuando el vidrio de una ventana se solidifica.

Materiales magnéticos

El equipo internacional dirigido por Busch ha diseñado vidrios metálicos ricos en hierro (entre un 70% y un 80%) que funcionan como materiales magnéticos 'blandos', adecuados para los estátores y rotores, piezas fundamentales de cualquier motor.

La novedad no es solo la composición, sino el método de fabricación, y ahí es donde entra la participación de Pérez Prado y su equipo. En el Instituto IMDEA Materiales trabajan en la impresión 3D metálica mediante fusión por láser en lecho de polvo (L‑PBF) para construir, capa a capa, piezas de motor completamente amorfas, con espesores de unas 30 micras por capa.

Imanes de varios tamaños.

La investigadora española, coautora de 160 artículos científicos, un libro y cuatro patentes, se ha centrado en “que el material no solo sea prometedor sobre el papel, sino que pueda imprimirse con propiedades funcionales”.

Trabajar con vidrio metálico, afirma Pérez Prado, “implica contar con una ventana de proceso mucho más exigente". En un metal convencional, "el objetivo principal suele ser conseguir piezas densas y sin defectos". En un vidrio metálico, además, "hay que evitar que el material cristalice durante la impresión, porque si cristaliza los átomos se ordenan y pierde buena parte de las propiedades que nos interesan”.

Amirhossein Ghavimi, uno de los investigadores que han participado en el desarrollo del motor. Pasquale D'Angiolillo / UdS Omicrono

Este objetivo es especialmente difícil porque, “en impresión 3D, cada capa no solo se funde y solidifica muy rápido, sino que además vuelve a calentarse varias veces al depositar las capas siguientes. Ese ciclado térmico favorece precisamente la cristalización”.

Por eso, en materiales como el vidrio metálico “hay que controlar muy finamente la energía del láser y la estrategia de procesado para conservar el material en un estado lo más amorfo posible”.

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Todo este trabajo permitirá tener “motores más eficientes, es decir, que desperdicien menos energía en forma de pérdidas magnéticas. Traducido a algo muy tangible: con el mismo consumo energético, un dispositivo podría funcionar más tiempo o aprovechar mejor cada carga de batería”.

Pérez Prado ilustra esta mejora con ejemplos muy sencillos y directos: “un dron podría tener más tiempo de vuelo, una bicicleta eléctrica más autonomía y un coche eléctrico más kilómetros útiles con la misma energía”.

No es la única ventaja de este tipo de materiales para el diseño y fabricación de motores: “También abren la puerta a motores más compactos y con geometrías más optimizadas, porque la impresión 3D permite diseños que son muy difíciles de conseguir con los materiales y procesos convencionales”.

El grupo llegó a estudiar cientos de composiciones y a explorar lo que describen como un espacio composicional de cinco dimensiones en aleaciones con cinco elementos distintos, hasta identificar tres formulaciones que resisten la cristalización y permiten imprimir componentes magnéticos de vidrio metálico.

Impresión 3D de piezas metálicas con láser. TRUMPF Omicrono

Los primeros resultados muestran que estos materiales reducen las pérdidas de energía asociadas a la remagnetización y permiten que los motores funcionen a menor temperatura, lo que se traduce en más eficiencia y menos desgaste.

Retos pendientes

Para poder fabricar este tipo de motores eléctricos, todavía quedan retos importantes por superar. “Uno es escalar desde probetas y piezas relativamente simples de laboratorio a componentes reales de motor, con geometrías más complejas y requisitos industriales más estrictos”, señala Pérez Prado.

El otro gran desafío pendiente “es asegurar que el proceso sea reproducible, robusto y competitivo en tiempo y coste”.

De hecho, el equipo de IMDEA ya ha podido comprobar cómo la geometría influye en el procesado: “Al pasar de volúmenes más compactos a paredes finas, por ejemplo, hay que reajustar localmente las condiciones de impresión para evitar defectos como el agrietamiento”.

Isabella Gallino (izquierda) y Ziyu Ling (derecha) forman parte del proyecto de investigación AM2SoftMag. UdS Omicrono

Pérez Prado también señala la necesidad de “disminuir los defectos de fabricación, como grietas que se forman como consecuencia de las elevadas velocidades de enfriamiento”.

En todo caso, la investigadora española reclama prudencia con los plazos, con una primera fase en la que serán necesarios demostradores y aplicaciones de nicho, a pesar del gran potencial de esta tecnología. “Antes de llegar a una aplicación comercial amplia pueden pasar entre 5 y 10 años”, concluye.

AM2SoftMag es el fruto de la cooperación europea, un consorcio que también cuenta con la participación de los equipos de Matthias Nienhaus, de la Universidad del Sarre, Isabella Gallino, de la Universidad Técnica de Berlín, y Paola Tiberto, del Instituto Nacional de Metrología de Turín, junto con las empresas Heraeus Amloy y Amazemet.

Si la iniciativa tiene éxito, los motores con piezas de vidrio metálico llegarían primero a nichos donde cada punto porcentual de eficiencia importa mucho: drones profesionales, robots ligeros o sistemas aeroespaciales.

A partir de ahí, la misma tecnología podría extenderse a motores de uso masivo como los coches o las bicicletas eléctricas, contribuyendo a recortar el consumo energético y mejorar las prestaciones de millones de dispositivos cotidianos.