Đại học Saarland phát triển linh kiện động cơ điện bằng thủy tinh kim loại in 3D, giảm đáng kể tổn hao năng lượng

Theo ChargedEVs, các nhà nghiên cứu tại Đại học Saarland (Đức) vừa công bố thành công trong việc phát triển hợp kim vô định hình giàu sắt — hay còn gọi là thủy tinh kim loại (metallic glass) — dùng để chế tạo linh kiện động cơ điện bằng công nghệ in 3D. Bước đột phá này có thể giảm đáng kể tổn hao từ hóa lại (remagnetization losses), vốn là một trong những nguyên nhân chính gây lãng phí năng lượng và sinh nhiệt trong động cơ điện truyền thống.

Vấn đề của vật liệu truyền thống

Trong các động cơ điện thông thường, stator và rotor được chế tạo từ hợp kim sắt có cấu trúc tinh thể thô. Khi từ trường liên tục đảo chiều trong quá trình vận hành, các vùng từ vi mô bên trong phải tái định hướng theo mạng tinh thể, tạo ra hiện tượng gọi là tổn hao từ trễ (hysteresis losses). Quá trình này sinh ra ma sát nội bộ và nhiệt, làm giảm hiệu suất tổng thể của động cơ.

Giáo sư Ralf Busch giải thích rằng cấu trúc vô định hình cho phép các vùng từ tái định hướng "tự do hơn" so với trong mạng tinh thể, từ đó giảm đáng kể tổn hao sắt và lượng nhiệt phát sinh.

Giải pháp thủy tinh kim loại in 3D

Nhóm nghiên cứu đã xác định được ba thành phần hợp kim có khả năng chống kết tinh, đồng thời đáp ứng yêu cầu của quy trình sản xuất bồi đắp (additive manufacturing). Các hợp kim này chứa 70–80% sắt, đặc biệt không sử dụng các nguyên tố hợp kim quý hiếm như cobalt — một lợi thế lớn về chi phí và tính bền vững của chuỗi cung ứng.

Linh kiện được chế tạo bằng phương pháp nóng chảy bột bằng laser (laser powder bed fusion), trong đó bột kim loại được nung chảy bằng tia laser và xây dựng theo từng lớp có độ dày khoảng 50 micromet. Kết quả là các bộ phận động cơ hoàn toàn vô định hình — không còn cấu trúc tinh thể gây tổn hao năng lượng.

Ứng dụng và triển vọng

Công nghệ này đặc biệt hứa hẹn cho các ứng dụng:

• Xe máy điện và xe scooter điện (e-scooter)
• Drone và thiết bị bay không người lái
• Các hệ truyền động điện cỡ nhỏ

Dự án được tài trợ 3,5 triệu euro (khoảng 95 tỷ VND) thông qua chương trình Horizon Europe Pathfinder Open của Hội đồng Đổi mới Sáng tạo Châu Âu (European Innovation Council). Đối tác công nghiệp Heraeus AMLOY chịu trách nhiệm in 3D các linh kiện từ tính.

Giáo sư Matthias Nienhaus nhận định: "Thách thức hiện tại là phát triển quy trình sao cho hoạt động ổn định trong thực tế và ở quy mô công nghiệp."

Ý nghĩa với thị trường Việt Nam

Việt Nam đang trong giai đoạn bùng nổ xe điện, đặc biệt ở phân khúc xe máy điện — chính là một trong những ứng dụng mục tiêu của công nghệ thủy tinh kim loại. VinFast, YADEA và nhiều hãng khác đang cạnh tranh gay gắt để chiếm lĩnh thị trường xe hai bánh điện với hàng triệu chiếc mỗi năm.

Nếu công nghệ này được thương mại hóa thành công, động cơ xe máy điện có thể đạt hiệu suất cao hơn, ít sinh nhiệt hơn và tuổi thọ lâu hơn. Điều này đồng nghĩa với quãng đường đi xa hơn trên mỗi lần sạc — yếu tố then chốt để thuyết phục người tiêu dùng Việt chuyển từ xe xăng sang xe điện. Với mạng lưới hơn 42.000 điểm sạc đang mở rộng nhanh chóng trên toàn quốc (xem TramSac.me), việc nâng cao hiệu suất động cơ sẽ giúp hệ sinh thái xe điện Việt Nam hoàn thiện hơn từ cả phía phương tiện lẫn hạ tầng.

Ngoài ra, việc hợp kim mới không cần cobalt cũng là tin tốt, bởi đây là nguyên tố đắt đỏ và có chuỗi cung ứng phức tạp — giúp giảm chi phí sản xuất động cơ trong dài hạn.

Tổng kết

Nghiên cứu của Đại học Saarland cho thấy tiềm năng to lớn của vật liệu vô định hình trong việc cải thiện hiệu suất động cơ điện. Dù vẫn còn thách thức về quy mô sản xuất công nghiệp, đây là hướng đi đáng chú ý khi ngành công nghiệp xe điện toàn cầu — bao gồm Việt Nam — đang không ngừng tìm kiếm giải pháp nâng cao hiệu quả năng lượng và giảm chi phí.

Nguồn: ChargedEVs