O echipă de ingineri americani a creat un electromotor genial cu supraconductibilitate, care are un alt motor în interior

Electromotoarele sunt tot mai prezente în jurul nostru, de la maşini electrice şi aproape orice tip de mecanism, până la aplicaţii industriale sau folosirea lor ca generatoare de electricitate. Maşinile electrice au impulsionat enorm evoluţia electromotoarelor, care staţionau într-o zonă de relativ confort până asta. Odată cu maşinile electrice, au devenit extrem de importante dimensiunea unui motor raportată la puterea pe care o poate oferi, greutatea sa, dar şi randamentul pe care îl poate oferi în convertirea electricităţii în putere mecanică. Şi dacă mai vorbim de aplicaţii noi, precum avioane electrice sau nave electrice, atunci aceşti parametri devin şi mai importanţi. În lumea noastră există deja o mulţime de tipuri de electromotoare, de la cele cu magnet permanent la cele cu inducţie sau cu excitaţie permanentă, dar toate aceste motoare au mici avantaje şi dezavantaje de construcţie, precum şi pierderi de randament. Iar când vine vorba de eliminarea pierderilor din circuite electrice, dezideratul suprem al fizicienilor şi inginerilor e întotdeauna supraconductibilitatea, acea stare criogenică a unui material care-l face să aibă practic zero rezistenţă. Ei bine, de curând o echipă de tineri ingineri americani, îndrumaţi de profesorul lor, Kiruba Haran, toţi fiind acum parte din startup-ul Hinetics, au creat un electromotor genial cu supraconductibilitate, cu parametri fascinanţi de randament, care mai are şi un alt motor în interior.

Munca la acestor motor a început din 2017, la concepere participând o echipă de studenţi de la Universitatea Urbana-Champaign din Illinois şi a evoluat apoi în formarea stat-up-ului Hinetics, susţinut iniţial de mai multe fonduri educaţionale şi de stat pentru inginerie inovativă. În 2025, ei au reuşit să ajungă la etapa dezvăluirii unui concept complet al motorului lor, iar acum, în 2026, există deja un prototip funcţional care e testat şi care demonstrează viabilitatea tehnologei aplicate pe el. Să vedem cât de curioasă şi genială e această tehnologie a noului electromotor, deci.

Pierderile de randament la electromotoarele obişnuite de realizează mai ales prin rezistenţa conductoarelor din ele. Pentru ca un electromotor să livreze mai multă putere, de obicei i se ajustează intensitatea curentului, în amperi. Însă creşterea intensităţii curentului se confruntă cu rezistenţa conductoarelor, ceea ce duce la generarea de căldură. Or, căldura emanată de un conductor e egală cu produsul intensităţii curentului la pătrat şi rezistenţei acelui conductor. Fireşte, căldura generată înseamnă pierderi.

Foto: Formula de calcul a căldurii emanate, în timp (unde t este timpul)

Atunci când un motor de 150 kW avea dimensiunea unui butoi mic, această căldură era disipată în mod natural prin suprafeţele metalice. Dar, în zilele noastre, când avem electromotoare ultra compacte, care generează 300-500 kW au chiar mai mult, acelaşi procent de pierderi prin căldură înseamnă o cifră absolută mult mai mare în căldura degajată, tocmai de asta e nevoie de răcirea motoarelor cu antigel sau ulei.

Însă dacă în formula de mai sus rezistenţa conductorilor ar putea fi redusă la zero, atunci şi produsul rezultat, deci căldura emanată, ar fi zero. Asta ar reduce considerabil pierderile şi ar spori enorm randamentul, pe de o parte, iar de cealaltă parte un electromotor n-ar mai fi limitat de rezistenţă şi căldură în puterea maximă pe care o poate genera, ci efectiv de rezistenţa mecanică a axului său şi a altor componente ce susţin mecanic această forţă. Asta ar permite crearea unor motoare relativ compacte, de puteri uriaşe.

Cum se poate elimina rezistenţa conductorilor? Prin supraconductibilitate — un fenomen fizic cunoscut când, unele materiale ajuns să aibă rezistenţă ce tinde spre zero atunci când temperatura lor tinde spre zero absolut, adică -273°C. De fapt, multe dintre materiale se apropie de o valoare confortabil de apropiată de 0 a rezistenţei deja într-o marjă de temperatură cuprinsă între -233°C şi -273°C, şi în funcţie de compoziţia exactă şi gradul de precizie dorit, se poate ajusta temperatura sistemului criogenic. Dar există şi materiale ce manifestă caracteristici de supraconductibilitate şi la temperaturi un pic mai mari, cum ar fi -220 sau -195°C şi chiar mai mult. Totuşi, pentru ca un conductor să poată fi răcit la o asemenea temperatură, e nevoie de un sistem criogenic care să genereze şi să asigure această temperatură.

De obicei, sistemele criogenice sunt foarte complexe şi energofage, însă. Atunci când aceste sisteme sunt aplicate în tandem pentru magneţi ultra puternici precum cei din acceleratorul de particule de la CERN sau reactoarele de studiu de fuziune nucleară, efortul criogeniei e justificat. Însă un sistem criogenic pe un electromotor cu roluri mai uzuale de propulsie ar fi lipsit de raţionament, deşi efectul lui e dorit de fizicieni.

Foto: Sistem criogenic la CERN

Ei bine, tocmai această problemă o rezolvă în mod genial electromotorul despre care vorbim azi, reuşind să aplice criogenia în interiorul său fără tuburi, conducte şi un sistem de răcire alăturat, care să tot circule heliu sau alţi compuşi pentru a asigura temperaturile criogenice din motor.

Echipa de ingineri de la Hinetics a luat la bază o construcţie de motor sincron, care are bobine şi pe stator, şi pe rotor. La un asemenea motor, bobinele de pe stator, adică elementul exterior, de diametru mai mare, care stă nemişcat, primesc curent alternativ trifazat şi generează un câmp magnetic rotativ. Bobinele din rotor, însă, primesc curent continuu şi devin efectiv un electromagnet. Calitatea de a fi sincron vine de la faptul că rotorul se roteşte cu exact sincron cu frecvenţa câmpului generat de stator.

Foto: Construirea statorului noului electromotor

E curios, deci, că inginerii au ales să nu folosească un rotor cu inducţie cu sau cu un magnet permanent. Dar decizia a fost conştientă, or, magneţii permanenţi sunt limitaţi în parametrii lor de puterea determinată de materialul din care sunt construiţi.

Foto: Demonstrarea noului electromotor în tandem cu o elice, ca motor pentru un viitor avon electric

În noul electromotor, statorul e unul relativ obişnuit, fără a avea conductori în bobine trecute la supraconductivitate, din cauza beneficiului limitat pe care l-ar oferi la folosirea curentului alternativ. Însă rotorul are mai mult bobine amplasate pe circumferinţa lui, menite să funcţioneze în regim de supraconductibilitate. Asta înseamnă că electromotorul trebuie să asigure temperaturi criogenice în rotor, fără a o face şi în stator.

În primul rând, ei au găsit materialul potrivit pentru aceste bobine, numit Rebco, format efectiv din ytriu, bariu şi oxid de cupru. E un material folosit şi la bobinele reactoarelor tokamar de fuziune nucleară, deci preluarea lui pe acest motor a fost oarecum mai uşoară, întrucât există unităţi care-l pot produce. Alegerea acestui material, clasificat drept HTS, adică supraconductor de temperaturi mai mari, a dat posibilitatea ca aceste bobine să devină supraconductoare la -220°C. De fapt, materialul devine supraconductor la -196°C, dar inginerii Hinetics au ales ca temperatura de operare să fie -220°C pentru a-i îmbunătăţi şi stabiliza performanţa enorm.

Foto: Aşa arată o bobină a rotorului

Partea cea mai genială e cum sunt aduse bobinele la această temperatură. Bobinele supraconductoare sunt amplasate pe partea exterioară a rotorului, deci partea centrală a electromotorului, care se roteşte, propulsată câmpul magnetic format de stator, carcasa statică exterioară. Dar rotorul are în centrul său şi un ax fixat de el, car serveşte drept mediu de transmitere a forţei mecanice mai departe spre o elice, cutie de viteze sau un alt mecanism. Inginerii au integrat în interiorul acestui ax un motor termodinamic Stirling. În rol de fluid termodinamic în circuitul său închid e folosit heliul. Acest motor foloseşte astfel proprietăţile termodinamice ale heliului, comprimându-l şi decomprimându-l brusc, atunci când acest devine brusc foarte rece şi astfel formează temperaturi criogenice în jurul său.

Bobinele situate pe exteriorul rotorului au câte o bară termică din cupru pur, conectată cu zona criogenică din interiorul axului, creată de acest motor Stirling. Aceste bare termice acţionează ca „thermal bus”, un soi de magistrale de disipare rapidă a căldurii. Şi întrucât frigul este, în esenţă, lipsa căldurii, iar aici există o asemenea diferenţă uriaşă de temperatură de la un capăt faţă de celălalt al magistralelor termice, căldura din bobine e drenată rapid spre zona criogenică şi astfel bobinele ajung la -220°C, devenind supraconductoare.

Amplasarea motorului Stirling în interiorul axului e genială şi nebunească totodată, întrucât asta înseamnă că acel mic motor se roteşte cu mii de turaţii per minut, odată cu axul. Construcţia lui simetrică radial, poziţionată central, îl face echilibrat şi păstrează echilibrul motorului electric, dar însăşi ideea de a avea un motor Stirling în interiorul unui alt electromotor e de-a dreptul năucitoare. Totuşi, asta face ca acest electromotor să aibă supraconductivitate, fără a avea circuite din exterior.

Motorul Stirling de aici are nevoie de 250W putere pentru propria operare, la mărimea motorului de test, produs de ingineri acum. Însă puterea lui efectivă de răcire e de doar 10W, ceea ce pare de-a dreptul infim, însă electromotorul e atât de bine izolat încât aparent şi această putere mică e suficientă pentru a crea condiţii criogenice.

Foto: Motorul Stirling din interior

Totuşi, crearea unui mediu criogenic pentru bobine nu putea fi atât de simplă, întrucât acele bobine sunt amplasate aproape de stator, de la care ar putea prelua căldură. Pe lângă asta tot ele sunt amplasate fizic pe acel ax care se roteşte şi care comunică şi cu exteriorul. Asta ar fi făcut ca multă căldură din mediul ambiant să ajungă la bobine şi să submineze toată criogenia de acolo.

Inginerii au aplicat două soluţii pentru a izola termic rotorul de stator. Prima din ele e aplicarea vacuumului în spaţiul dintre rotor şi stator. Pe lângă asta, s-au aplicat şi izolatoare termice fizice, sub forma unei folii Mylar aluminizată.

Izolarea axului central al motorului de bobine a fost mai dificilă, însă. Axul trebuia să rămână fixat de rotor cu o duritate excepţională ca să poată transmite forţele imense mecanice, dar să fie fixat printr-un material izolator termic. Soluţia finală genială a fost folosirea spiţelor din kevlar pentru fixarea axului de rotor. Deci, efectiv axul central e conectat prin spiţe cu rotorul, ca o roată de bicicletă, cu spiţe mult mai scurte. Doar că aceste spiţe sunt realizate din kevlar pentru a fi super dure şi totodată pentru a fi izolatoare termice. Astfel, temperaturile criogenice sunt păstrare doar în zona bobinelor rotorului şi în zona alăturată motorului Stirling din interior axului.

Foto: Ax central fixat prin spiţe de kevlar de peretele exterior al rotorului

Toată această construcţie le-a permis celor de la Hinetics să creeze, spre exemplu, un motor de test de 10 MW putere continuă (circa 13.596 CP), care cântăreşte doar 250 kg. Asta înseamnă 40 kW/kg, ceea ce-l clasează printre liderii absoluţi la densitate de putere. Aici ne putem aminti de electromotorul Yasa de 750 kW putere maximă şi 12,7 kW, ceea ce se traduce în 59 kW/kg, doar că la Yasa valoarea de putere e una maximă, nu continuă. Cea continuă ar determina maxim 32 kW/kg, ceea ce face ca noul motor criogenică să fie mai capabil în acest sens.

Şi, desigur, randamentul final e cumva dezideratul e mai important de aici. S-a atins 99,4-99,5% randament total, ceea ce e excelent cu siguranţă. Diferenţele rămase sunt pierdute prin proprietăţile fizice ale curenţilor, prin faptul că statorul nu e criogenic şi alte mici elemente. Şi e la fel de curios că acest motor e conceput să poată fi scalat la dimensiunea şi puterea imensă a unor propulsoare navale mari, de 25-50 MW sau mai mult, dar şi un cuplu de până la 2.000.000 Nm. Iar când vorbim de o putere de 50 MW în mod continuu, 1% câştigat în randament înseamnă 0,5 MWh economisiţi într-o singură oră şi 12 MWh în timp de 24 ore. Într-un an, se pot economisi 4.380 MWh de energie, ceea ce poate însemna cam între 350.000 şi 1.000.000 euro economisiţi anual dacă vorbim de electricitate din reţea ca sursă de energie.

Totuşi, când vorbim de un randament atât de mare de 99,4-99,5% pentru un electromotor, nu putem să nu amintim şi de electromotorul elveţienilor de la ABB, lansat anul trecut, cu o putere de peste 76.000 CP şi cu un randament care a marcat recordul mondial oficial, la 99,13%. Deci, noul electromotor criogenic e cu circa un punct procentual mai eficient faţă de electromotoarele obişnuite, dar la doar circa — 0,27-0,37% distanţă de electromotorul ABB, care e lipsit de orice sisteme criogenice.

Însă întotdeauna în inginerie ultimul procent de perfecţiune e cel mai greu de atins. Şi motorul realizat de această echipă de ingineri e cu adevărat unul genial în abordarea construcţiei sale şi-n randamentul obţinut.

Foto: Kiruba Haran, şeful tehnic al echipei şi profesorul universitar sub egida căruia a fost creat noul motor