Es casi seguro que no podríamos sobrevivir un día normal sin el apoyo directo de docenas de motores eléctricos. Están en todos nuestros electrodomésticos que no funcionan con una manivela, en los sistemas de control de climatización que nos mantienen cómodos y en las bombas, ventiladores y controles de las ventanas de nuestro coche. Y aunque hay muchos tipos diferentes de motores eléctricos, todos y cada uno de ellos, desde el motor de tracción de 200 kilovatios de nuestro vehículo eléctrico hasta el motor paso a paso de nuestro reloj de pulsera de cuarzo, explotan exactamente el mismo fenómeno físico: el electromagnetismo. Sin embargo, durante décadas, los ingenieros se han sentido atraídos por las virtudes de los motores basados ​​en un principio completamente diferente: la electrostática. En algunas aplicaciones, estos motores podrían ofrecer un aumento general de la eficiencia que oscila entre el 30 por ciento y casi el 100 por ciento, según un análisis basado en experimentos. Y, quizás aún mejor, utilizarían sólo materiales baratos y abundantes, en lugar de los elementos de tierras raras, aleaciones especiales de acero y copiosas cantidades de cobre que se encuentran en los motores convencionales. “La electrificación tiene sus desafíos de sostenibilidad”, señala Daniel Ludois, profesor de ingeniería eléctrica en la Universidad de Wisconsin en Madison. Pero “un motor electrostático no necesita bobinados, no necesita imanes y no necesita ninguno de los materiales críticos que necesita una máquina convencional”. Estas ventajas impulsaron a Ludois a cofundar una empresa, C-Motive Technologies, para construir motores electrostáticos a gran escala. “Fabricamos nuestras máquinas con aluminio y plástico o fibra de vidrio”, dice. Su prototipo actual es capaz de entregar un par de hasta 18 newton metros y una potencia de 360 ​​vatios (0,5 caballos de fuerza), características que, según afirman, son «las mediciones de par y potencia más altas para cualquier máquina electrostática rotatoria». Los resultados se informan en un artículo, «Máquinas electrostáticas sincrónicas para aplicaciones industriales de accionamiento directo», que se presentará en el Congreso y exposición de conversión de energía IEEE de 2024, que se llevará a cabo del 20 al 24 de octubre en Phoenix, Arizona. En el artículo, Ludois y cuatro colegas describen una máquina electrostática que construyeron, que describen como la primera máquina de este tipo capaz de «accionar una carga que realiza un trabajo industrial, en este caso, un sistema de bomba de presión constante». Hacer que los motores electrostáticos sean más grandes La máquina, que es cientos de veces más potente que cualquier motor electrostático anterior, es «competitiva o superior a la maquinaria magnética refrigerada por aire en el rango fraccionario [horsepower] «Alcanzar la escala macro no fue fácil. Los motores electrostáticos han estado disponibles durante años, pero hoy, son unidades diminutas con una potencia de salida medida en milivatios. «Los motores electrostáticos son asombrosos una vez que se llega a una escala inferior a la de milímetros, y mejoran cada vez más a medida que se hacen más pequeños», dice Philip Kerin, profesor de ingeniería eléctrica en la Universidad de Illinois Urbana-Champaign. «Hay un punto de inflexión en el que son mejores que los motores magnéticos». (Krein no tiene ninguna conexión financiera con C-Motive). Sin embargo, para los motores más grandes, sucede lo contrario. «A escala macro, el electromagnetismo gana, es la respuesta de los libros de texto», señala Ludois. “Pues bien, hemos decidido desafiar esa sabiduría”. Para esta búsqueda, él y su equipo encontraron inspiración en un logro menos conocido de uno de los padres fundadores de los Estados Unidos. “El hecho es que Benjamin Franklin construyó y demostró un motor electrostático macroscópico en 1747”, dice Kerin. “De hecho, utilizó el motor como asador para asar un pavo en la orilla de un río en Filadelfia” (un hecho desenterrado por el difunto historiador I. Bernard Cohen para su libro de 1990 Benjamin Franklin’s Science). Kerin explica que el desafío fundamental al intentar escalar los motores electrostáticos al mundo macro es la densidad de energía. “La densidad de energía que se puede obtener en el aire a una escala razonable con un sistema de campo eléctrico es mucho, mucho menor, muchos órdenes de magnitud menor, que la densidad que se puede obtener con un sistema electromagnético”. Aquí la frase “en el aire” se refiere al volumen dentro del motor, llamado “espacio de aire”, donde se despliegan los campos de la máquina (magnético para el motor convencional, eléctrico para el electrostático). El motor eléctrico convencional funciona porque un campo magnético giratorio, instalado en una estructura fija llamada estator, se conecta con el campo magnético de otra estructura llamada rotor, lo que hace que el rotor gire. La fuerza involucrada se llama fuerza de Lorentz. Pero lo que hace que una máquina electrostática gire es una fuerza completamente diferente, llamada fuerza de Coulomb. Esta es la fuerza física atractiva o repulsiva entre cargas eléctricas opuestas o iguales. Cómo superar el problema del espacio de aire El motor de C-Motive utiliza discos de rotor y estator no conductores sobre los que se han depositado muchos conductores delgados y muy espaciados que irradian hacia afuera desde el centro del disco, como los radios de una rueda de bicicleta. Las cargas electrostáticas sincronizadas con precisión aplicadas a estos «radios» crean dos ondas de voltaje, una en el estator y otra en el rotor. La diferencia de fase entre las ondas del rotor y del estator se sincroniza y controla para maximizar el par en el rotor causado por esta secuencia de atracción y repulsión entre los radios. Para extraer aún más par, la máquina tiene media docena de rotores y estatores, que se alternan y se apilan como discos compactos en un eje. El motor de 360 ​​vatios es cientos de veces más potente que los motores electrostáticos anteriores, cuya potencia de salida se mide generalmente en milivatios. La máquina sería débil si el dieléctrico entre las cargas fuera aire. Como dieléctrico, el aire tiene baja permitividad, lo que significa que un campo eléctrico en el aire no puede almacenar mucha energía. El aire también tiene una intensidad de campo de ruptura relativamente baja, lo que significa que el aire solo puede soportar un campo eléctrico bastante débil antes de descomponerse y conducir la corriente en un arco ardiente. Por lo tanto, uno de los mayores desafíos del equipo fue producir un fluido dieléctrico que tenga una permitividad y una intensidad de campo de ruptura mucho mayores que el aire, y que también sea ecológico y no tóxico. Para minimizar la fricción, este fluido también tenía que tener una viscosidad muy baja, porque los rotores girarían en él. Un dieléctrico con alta permitividad concentra el campo eléctrico entre electrodos con cargas opuestas, lo que permite almacenar más energía en el espacio entre ellos. Después de examinar cientos de candidatos durante varios años, el equipo de C-Motive logró producir un dieléctrico líquido orgánico con baja viscosidad y una permitividad relativa de alrededor de 20. A modo de comparación, la permitividad relativa del aire es de 1. Otro desafío fue suministrar los 2000 voltios que necesita su máquina para funcionar. Se necesitan altos voltajes para crear los intensos campos eléctricos entre los rotores y los estatores. Para controlar con precisión estos campos, C-Motive pudo aprovechar la disponibilidad de electrónica de potencia económica y tremendamente capaz, según Ludois. Para su motor más reciente, desarrollaron un sistema de accionamiento basado en transistores bipolares de puerta aislada de 4,5 kilovoltios, que están fácilmente disponibles, pero el ritmo de avance en semiconductores de potencia significa que tienen muchas opciones atractivas en este sentido, y tendrán aún más en el futuro cercano. Ludois informa que C-Motive ahora está probando un motor de 750 vatios (1 hp) en aplicaciones con clientes potenciales. Sus próximas máquinas tendrán una potencia de entre 750 y 3.750 vatios (entre 1 y 5 CV), añade. Serán lo suficientemente potentes para una gama ampliada de aplicaciones en automatización industrial, fabricación, calefacción, ventilación y aire acondicionado. Ha sido un viaje gratificante para Ludois. «Para mí, un motivo de orgullo creativo es que mi equipo y yo estamos trabajando en algo radicalmente diferente que, espero, a largo plazo, abra otras vías para que otras personas contribuyan». 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