Robert Sansone es un ingeniero nato. Desde manos animatrónicas hasta botas para correr de alta velocidad y un kart que puede alcanzar velocidades de más de 70 millas por hora, el inventor con sede en Fort Pierce, Florida, estima que ha completado al menos 60 proyectos de ingeniería en su tiempo libre. Y solo tiene 17 años.
Hace un par de años, Sansone encontró un video sobre las ventajas y desventajas de los autos eléctricos. El video explica que la mayoría de los motores de automóviles eléctricos requieren imanes hechos de elementos de tierras raras, cuya extracción puede ser costosa, tanto financiera como ambientalmente. Los materiales de tierras raras necesarios pueden costar cientos de dólares por kilogramo. En comparación, el cobre vale $7,83 por kilogramo.
“Tengo un interés natural por los motores eléctricos”, dice Sansone, que los ha utilizado en diferentes proyectos de robótica. “Con ese problema de sostenibilidad, quería abordarlo e intentar diseñar un motor diferente”.
El estudiante de secundaria había oído hablar de un tipo de motor eléctrico, el motor de reluctancia síncrona, que no utiliza estos materiales de tierras raras. Este tipo de motor se usa actualmente para bombas y ventiladores, pero no es lo suficientemente potente por sí solo para ser utilizado en un vehículo eléctrico. Entonces, Sansone comenzó a pensar en formas en las que podría mejorar su desempeño.
En el transcurso de un año, Sansone creó un prototipo de un motor de reluctancia síncrono novedoso que tenía una fuerza de rotación (o par) y una eficiencia mayores que los existentes. El prototipo se fabricó con plástico impreso en 3D, cables de cobre y un rotor de acero y se probó con una variedad de medidores para medir la potencia y un tacómetro láser para determinar la velocidad de rotación del motor. Su trabajo le valió el primer premio y $75,000 en ganancias en la Feria Internacional de Ciencia e Ingeniería de Regeneron (ISEF) de este año, la competencia internacional más grande de STEM para escuelas secundarias.
Los motores de imanes permanentes menos sostenibles utilizan materiales como el neodimio, el samario y el disprosio, que tienen una gran demanda porque se utilizan en muchos productos diferentes, incluidos auriculares y audífonos, explica Heath Hofmann, profesor de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad. de Míchigan. Hofmann ha trabajado extensamente en vehículos eléctricos, incluida la consultoría con Tesla para desarrollar los algoritmos de control para su motor de propulsión.
“La cantidad de aplicaciones que usan imanes parece ser cada vez más grande”, dice. «Muchos de los materiales se extraen en China, por lo que el precio a menudo puede depender de nuestro estado comercial con China». Hofmann agrega que Tesla recientemente comenzó a usar imanes permanentes en sus motores.
Los motores eléctricos utilizan campos electromagnéticos giratorios para hacer girar un rotor. Las bobinas de alambre en la parte externa estacionaria del motor, llamada estator, producen estos campos electromagnéticos. En los motores de imanes permanentes, los imanes unidos al borde de un rotor giratorio producen un campo magnético que es atraído por los polos opuestos del campo giratorio. Esta atracción hace girar el rotor.
Los motores síncronos de reluctancia no utilizan imanes. En cambio, un rotor de acero con espacios de aire cortados se alinea con el campo magnético giratorio. La desgana, o el magnetismo de un material, es clave en este proceso. A medida que el rotor gira junto con el campo magnético giratorio, se produce un par. Se produce más par cuando la relación de prominencia, o la diferencia de magnetismo entre los materiales (en este caso, el acero y los espacios de aire no magnéticos), es mayor.
En lugar de usar espacios de aire, Sansone pensó que podría incorporar otro campo magnético en un motor. Esto aumentaría esta relación de prominencia y, a su vez, produciría más torque. Su diseño tiene otros componentes, pero no puede revelar más detalles porque espera patentar la tecnología en el futuro.
“Una vez que tuve esta idea inicial, tuve que hacer algunos prototipos para probar y ver si ese diseño realmente funcionaría”, dice Sansone. “No tengo toneladas de recursos para hacer motores muy avanzados, así que tuve que hacer una versión más pequeña, un modelo a escala, usando una impresora 3D”.
“En realidad, no tenía un mentor que me ayudara, así que cada vez que fallaba un motor, tenía que investigar mucho y tratar de solucionar el problema”, dice. “Pero eventualmente en el motor 15, pude obtener un prototipo funcional”.
Sansone probó el par y la eficiencia de su motor, y luego lo reconfiguró para que funcionara como un motor de reluctancia síncrona más tradicional a modo de comparación. Encontró que su novedoso diseño exhibía un 39 por ciento más de torque y un 31 por ciento más de eficiencia a 300 revoluciones por minuto (RPM). A 750 RPM, se desempeñó con un 37 por ciento más de eficiencia. No pudo probar su prototipo a mayores revoluciones por minuto porque las piezas de plástico se sobrecalentarían, una lección que aprendió de la manera más difícil cuando uno de los prototipos se derritió en su escritorio, le dice a Top of the Class , un podcast producido por Crimson Education.
En comparación, el motor Model S de Tesla puede alcanzar hasta 18 000 RPM, explicó el principal diseñador de motores de la compañía, Konstantinos Laskaris, en una entrevista de 2016 con Christian Ruoff de la revista de vehículos eléctricos Charged.
Sansone validó sus resultados en un segundo experimento, en el que «aisló el principio teórico bajo el cual el diseño novedoso crea prominencia magnética», según la presentación de su proyecto. Esencialmente, este experimento eliminó todas las demás variables y confirmó que las mejoras en el torque y la eficiencia estaban correlacionadas con la mayor relación de prominencia de su diseño.
“Definitivamente está viendo las cosas de la manera correcta”, dice Hofmann sobre Sansone. “Existe el potencial de que podría ser la próxima gran cosa”. Sin embargo, agrega que muchos profesores trabajan en investigación toda su vida, y es «bastante raro que terminen dominando el mundo».
Hofmann dice que los materiales para los motores de reluctancia síncrona son baratos, pero las máquinas son complejas y notoriamente difíciles de fabricar. Los altos costos de fabricación son, por lo tanto, una barrera para su uso generalizado y un factor limitante importante para la invención de Sansone.
Sansone está de acuerdo, pero dice que «con nuevas tecnologías como la fabricación aditiva [como la impresión 3D], sería más fácil construirlo en el futuro».
Sansone ahora está trabajando en cálculos y modelado 3D para la versión 16 de su motor, que planea construir con materiales más resistentes para poder probarlo a mayores revoluciones por minuto. Si su motor continúa funcionando con alta velocidad y eficiencia, dice que seguirá adelante con el proceso de patentamiento.
Como estudiante de último año en Fort Pierce Central High School, Sansone sueña con asistir al Instituto de Tecnología de Massachusetts. Sus ganancias de ISEF se destinarán a la matrícula universitaria.
Sansone dice que originalmente no había planeado participar en la competencia. Pero cuando supo que una de sus clases le permitía completar un proyecto de investigación de un año y un trabajo sobre un tema de su elección, decidió aprovechar la oportunidad para seguir trabajando en su motor.
“Estaba pensando que si soy capaz de poner tanta energía en él, también podría convertirlo en un proyecto de feria de ciencias y competir con él”, explica. Después de hacerlo bien en las competencias distritales y estatales, avanzó a ISEF.
Sansone está esperando hasta su próxima fase de prueba antes de acercarse a cualquier compañía de automóviles, pero espera que algún día su motor sea el diseño elegido para los vehículos eléctricos.
“Los materiales de tierras raras en los motores eléctricos existentes son un factor importante que socava la sostenibilidad de los vehículos eléctricos”, dice. “Ver el día en que los vehículos eléctricos sean totalmente sostenibles gracias a la ayuda de mi novedoso diseño de motor sería un sueño hecho realidad”.
