A medida que la producción global de coches y camiones eléctricos crece a pasos agigantados, la industria automotriz se enfrenta a un reto crucial: desarrollar motores de tracción que igualen o superen el rendimiento, la fiabilidad y la ligereza de los mejores motores comerciales actuales, pero sin recurrir a elementos de tierras raras. Estos materiales, como el neodimio y el disprosio, tienen costos ambientales elevados y suponen riesgos en la cadena de suministro, ya que China domina casi por completo su mercado. En este contexto, un avance en ciencia de materiales por parte de General Electric Aerospace (GE Aerospace) está llamando la atención: un material magnético bifásico que podría redefinir los motores de reluctancia síncrona y romper la monopolización de las tierras raras.
Para entender el potencial de este material, es necesario partir de los fundamentos de los motores de reluctancia síncrona. Al igual que otros motores eléctricos, constan de un estátor y un rotor. El estátor genera un campo magnético rotativo que magnetiza y actúa sobre el rotor, generalmente fabricado con acero eléctrico, una aleación ferromagnética. El rotor gira gracias a un fenómeno conocido como reluctancia, que hace que los materiales ferromagnéticos se alineen con las líneas de fuerza del campo magnético. A medida que el campo magnético del estátor gira, el rotor magnetizado se alinea constantemente con él, generando torque.
El problema clave en los diseños tradicionales radica en las estructuras del rotor llamadas «puentes» y «pilares», que conectan sus secciones magnéticas. En los rotores convencionales, estos componentes están hechos del mismo material ferromagnético que el resto del rotor, por lo que se magnetizan. Esta magnetización causa interferencias entre las líneas de flujo magnético, reduciendo la eficiencia y limitando la potencia del motor. Para minimizar este problema, los ingenieros han diseñado puentes y pilares estrechos, pero esto debilita la resistencia mecánica del rotor, restringiendo su velocidad de rotación y, por ende, la potencia del motor.
Aquí es donde el material bifásico marca la diferencia. Su propiedad más destacada es que, al exponerse a un campo magnético fuerte, diferentes regiones del material adquieren grados de magnetización extremadamente contrastantes: o bien están completamente desmagnetizadas, o bien están altamente magnetizadas. Esto permite que los puentes y pilares del rotor no se magneticen, al mismo tiempo que pueden ser más anchos y robustos. De esta manera, se eliminan las interferencias magnéticas sin comprometer la resistencia mecánica, superando una limitación fundamental de los diseños tradicionales.
Los resultados de los tests realizados por GE Aerospace son reveladores. En una prueba, un motor experimental con rotor bifásico alcanzó una potencia de 23 kW a 14.000 revoluciones por minuto, mientras que un motor con rotor tradicional, idéntico en todos los demás aspectos, solo logró 3,7 kW en las mismas condiciones. Además, el motor experimental alcanzó un rendimiento pico del 94%, comparable al de los mejores motores utilizados en vehículos eléctricos comerciales actuales.
«Aseguro que este material cambiará las reglas del juego», afirma Ayman El-Refaie, miembro distinguido de la IEEE y profesor de ingeniería eléctrica y computacional en la Universidad Marquette de Milwaukee (Wisconsin), quien inició el proyecto de materiales bifásicos en GE en 2005. Su entusiasmo se basa no solo en los resultados inmediatos, sino en la versatilidad del material, que podría aplicarse más allá de los motores de reluctancia síncrona.
Investigaciones realizadas en la Universidad Marquette, la Universidad de Gyeongsang en Corea del Sur y la Universidad Técnica de Ufa (Rusia) han demostrado que los materiales bifásicos también ofrecen ventajas en motores síncronos de imanes permanentes y generadores. «No solo beneficia a las máquinas de imanes permanentes internos (IPM)», explica El-Refaie. «También tiene ventajas en otros tipos de máquinas por diferentes razones». Esta adaptabilidad amplía su potencial a una gama más amplia de aplicaciones, desde generadores industriales hasta otros diseños de motores, donde sus propiedades magnéticas únicas podrían mejorar la eficiencia y el rendimiento.
Sin embargo, el camino hacia la comercialización no está exento de obstáculos. Uno de los desafíos técnicos actuales es que la densidad de flujo de saturación máxima del material bifásico de GE es de 1,5 teslas, significativamente menor que el límite del acero eléctrico convencional, que alcanza los 2 teslas. La densidad de flujo es una medida de la capacidad de un material para ser magnetizado, por lo que mejorar este aspecto será crucial para ampliar sus aplicaciones. El-Refaie es optimista al respecto: «Con further development, el material bifásico de GE puede mejorarse».
Pero los obstáculos técnicos podrían ser menos problemáticos que los desafíos de producción. Frank Johnson, miembro senior del equipo de investigación de materiales bifásicos en GE y actual director técnico de Niron Magnetics, señala: «Encontrar productores de acero dispuestos y capaces de fabricar las láminas metálicas laminadas para la producción de rotores bifásicos es un obstáculo importante. Las aleaciones que hemos desarrollado tienen componentes de bajo costo, lo que crea una paradoja: se convierte en un caso comercial difícil, a menos que haya una producción muy grande e inversiones significativas en equipos».
Actualmente, ninguna empresa ofrece materiales magnéticos bifásicos aptos para máquinas de alta potencia. Además de GE Aerospace, la única otra empresa conocida que trabaja en este campo es Proterial, ex Hitachi Metals. GE Aerospace se ha negado a permitir que sus investigadores hablen sobre el tema en entrevistas, por lo que no está claro si licenciará o fabricará el material por sí mismo.
A pesar de estos retos, el impacto potencial del material bifásico sería transformador si se logra producir a gran escala. La reducción de la dependencia de las tierras raras no solo mitigaría los riesgos en la cadena de suministro, sino que también reduciría los costos ambientales asociados a su extracción y procesamiento, que incluyen la contaminación y la degradación del ecosistema. Además, su bajo costo intrínseco, una vez lograda la producción masiva, podría hacer que los motores eléctricos sean más accesibles, impulsando la adopción de vehículos eléctricos en todo el mundo.
La industria automotriz eléctrica está en constante búsqueda de soluciones sostenibles y resilientes. A medida que la demanda de vehículos eléctricos crece, la presión para innovar en tecnologías de motores se intensifica. Los materiales bifásicos representan una alternativa prometedora, ya que combinan un alto rendimiento con una menor dependencia de recursos estratégicos y problematicos.
El éxito de esta tecnología dependerá de la colaboración entre científicos de materiales, ingenieros de motores y productores de acero. Desarrollar la infraestructura de producción necesaria, desde la fabricación de aleaciones hasta la laminación de láminas, requerirá inversiones significativas, pero los beneficios a largo plazo podrían ser incalculables. La adopción masiva de materiales bifásicos no solo revolucionaría los motores de vehículos eléctricos, sino que también podría mejorar la eficiencia de generadores y otras máquinas, contribuyendo a una mayor sostenibilidad en múltiples sectores.
En última instancia, la prueba de fuego para el material bifásico será su capacidad para pasar de los laboratorios a las líneas de producción. Si logra superar los obstáculos de fabricación y se integra exitosamente en los motores comerciales, podría marcar el inicio de una nueva era en la electrificación del transporte, donde el rendimiento, la sostenibilidad y la seguridad en la cadena de suministro van de la mano.
Autor: Glenn Zorpette
Afiliación: IEEE Spectrum
DOI: 10.1109/MSPEC.2024.2300123