Robert Sansone, un adolescent de 17 ani din SUA, este un inginer înnăscut. De la mâini animatronice la ghete de alergare de mare viteză și un kart care poate atinge viteze de peste 70 de mile pe oră, inventatorul din Fort Pierce, Florida, estimează că a finalizat cel puțin 60 de proiecte de inginerie în timpul său liber. Și are doar 17 ani.
Acum câțiva ani, Sansone a dat peste un videoclip despre avantajele și dezavantajele mașinilor electrice. Videoclipul a explicat că majoritatea motoarelor de mașini electrice necesită magneți fabricați din metalele denumite pământuri rare, care sunt scumpe, greu de procesat și deloc prietenoase cu mediul, scrie Smithsonian Magazine.
Metalele denumite pământuri rare reprezintă un grup de 17 elemente (Scandiu, Ytriu, Lantan, Ceriu, Praseodim, Neodim, Promețiu, Samariu, Europiu, Gadoliniu, Terbiu, Disprosiu, Holmiu, Erbiu, Tuliu, Yterbiu și Lutețiu) extrem de importante, socotite critice, pentru asamblarea a aproximativ un sfert din tehnologia actuală – de la telefoane mobile, componente de calculator și motoare electrice până la tehnologii precum bateriile electrice, armamentul sofisticat și turbinele eoliene. În anul 2010, China producea aproximativ 97% din pământurile rare consumate în întreaga lume. Metalele din pământuri rare necesare pot costa sute de dolari kilogramul. În comparație, cuprul valorează 7,83 de dolari kilogramul.
„Mă pasionează în mod natural motoarele electrice”, spune Sansone, care le-a folosit în diferite proiecte de robotică. „Știind despre această problemă de sustenabilitate, am vrut să încerc să proiectez un alt fel de motor.”
Liceanul auzise de un tip de motor electric – motorul sincron cu reluctantă – care nu folosește aceste metale din pământuri rare. Acest tip de motor este utilizat în prezent pentru pompe și ventilatoare, dar nu este suficient de puternic pentru a fi folosit într-un vehicul electric. Așadar, Sansone a început să facă brainstorming pentru a găsi modalități prin care ar putea să îmbunătățească performanța acestui fel de motor electric.
Pe parcursul unui an, Sansone a creat un prototip al unui nou motor sincron cu reluctanță care avea o forță de rotație – sau cuplu – și o eficiență mai mari decât cele existente. Prototipul a fost realizat din plastic imprimat 3-D, fire de cupru și un rotor de oțel și a fost testat folosind o varietate de contoare pentru a măsura puterea și un tahometru cu laser pentru a determina viteza de rotație a motorului. Munca lui i-a adus premiul întâi și 75.000 de dolari, la Târgul Internațional de Știință și Inginerie Regeneron (ISEF) de anul acesta, cea mai mare competiție internațională STEM pentru licee.
Motoarele electrice folosesc câmpuri electromagnetice rotative pentru a învârti un rotor. Bobinele de sârmă din porțiunea exterioară staționară a motorului, numită stator, produc aceste câmpuri electromagnetice. În motoarele cu magnet permanenți, magneții atașați la marginea unui rotor care se rotește produc un câmp magnetic care este atras de polii opuși ai câmpului de rotație. Această atracție învârte rotorul.
Motoarele cu reluctanță sincronă nu folosesc magneți. În schimb, un rotor de oțel cu goluri de aer tăiate în el se aliniază cu câmpul magnetic rotativ. Reticența sau magnetismul unui material este cheia acestui proces. Pe măsură ce rotorul se rotește împreună cu câmpul magnetic rotativ, se produce cuplu. Se produce mai mult cuplu atunci când raportul de proeminență sau diferența de magnetism între materiale (în acest caz, oțelul și golurile de aer nemagnetice) este mai mare.
În loc să folosească goluri de aer, Sansone s-a gândit că ar putea încorpora un alt câmp magnetic într-un motor. Acest lucru ar crește acest raport de vizibilitate și, la rândul său, ar produce mai mult cuplu. Designul său are alte componente, dar nu poate dezvălui mai multe detalii pentru că speră să breveteze tehnologia în viitor.
„Odată ce am avut această idee, a trebuit să fac niște prototipuri pentru a încerca să văd dacă acel design va funcționa cu adevărat”, spune Sansone. „Nu am tone de resurse pentru a face motoare foarte avansate, așa că a trebuit să fac o versiune mai mică – un model la scară – folosind o imprimantă 3-D.”
A fost nevoie de mai multe prototipuri înainte de a-și putea testa designul.
„Nu am avut un mentor care să mă ajute, așa că de fiecare dată când un motor s-a defectat, a trebuit să fac o mulțime de cercetări și să încerc să depanez ce nu a mers prost”, spune el. „Dar în cele din urmă, pe cel de-al 15-lea motor, am reușit să obțin un prototip funcțional.”
Sansone și-a testat motorul pentru cuplu și eficiență, apoi l-a reconfigurat pentru a funcționa ca un motor sincron cu reluctanță mai tradițional pentru comparație. El a descoperit că noul său design a prezentat un cuplu cu 39% mai mare și o eficiență cu 31% mai mare la 300 de rotații pe minut (RPM). La 750 RPM, a funcționat cu o eficiență cu 37% mai mare. Nu și-a putut testa prototipul la turații mai mari pe minut, deoarece piesele de plastic s-ar supraîncălzi – o lecție pe care a învățat-o în modul cel mai dur a fost când unul dintre prototipuri s-a topit pe birou, spune el pentru Top of the Class, un podcast produs de Crimson Education.
În comparație, motorul Model S al Tesla poate atinge până la 18.000 rpm, a explicat principalul designer de motoare al companiei, Konstantinos Laskaris, într-un interviu din 2016 cu Christian Ruoff de la revista de vehicule electrice Charged.
Sansone și-a validat rezultatele într-un al doilea experiment, în care a „izolat principiul teoretic conform căruia noul design creează proeminență magnetică”, conform prezentării proiectului său. În esență, acest experiment a eliminat toate celelalte variabile și a confirmat că îmbunătățirile cuplului și eficiența au fost corelate cu raportul mai mare de proeminență al designului său.
„Cu siguranță privește lucrurile în modul corect”, spune Hofmann despre Sansone. „Există potențialul ca acesta să fie următorul lucru important în industrie.” Cu toate acestea, el adaugă că mulți profesori lucrează la cercetare toată viața și este „destul de rar să ajungă să aibă succes.
Hofmann spune că materialele pentru motoarele cu reluctanță sincronă sunt ieftine, dar mașinile sunt complexe și notoriu de dificil de fabricat. Costurile ridicate de producție reprezintă, prin urmare, o barieră în calea utilizării lor pe scară largă – și un factor limitator major pentru invenția lui Sansone.
Sansone este de acord, dar spune că „cu noile tehnologii precum fabricarea aditivă [cum ar fi imprimarea 3-D], ar fi mai ușor să o construim în viitor”.
Sansone lucrează acum la calcule și modelare 3-D pentru cea de-a 16 versiunea a motorului său, pe care intenționează să o construiască din materiale mai rezistente, astfel încât să-l poată testa la turații mai mari pe minut. Dacă motorul său continuă să funcționeze cu viteză și eficiență ridicată, el spune că va merge mai departe cu procesul de brevetare.
Sansone așteaptă până la următoarea etapă de testare înainte de a aborda orice companie de automobile, dar speră că într-o zi motorul său va fi cel ales pentru fabricarea vehiculelor electrice.
„Metalele din pământuri rare din motoarele electrice actuale reprezintă un factor major care subminează sustenabilitatea vehiculelor electrice”, spune el. „Să văd ziua în care vehiculele electrice sunt pe deplin sustenabile datorită noului meu design ar fi un vis devenit realitate.”
