Gli scienziati dell’Institute of Science Tokyo hanno scoperto che una forza elettrostatica laterale potrebbe generare movimento senza magneti o metalli delle terre rare.
I ricercatori dell’Institute of Science Tokyo hanno scoperto una forza elettrostatica laterale considerata debole che, nelle giuste condizioni, potrebbe diventare sorprendentemente forte e alimentare i motori di grandi macchinari senza l’uso di magneti o di metalli da terre rare.
Quando sentiamo parlare di oggetti in movimento grazie all’elettricità, la maggior parte di noi immagina una “forza di attrazione”. Le cariche positive e negative si attraggono, avvicinando gli oggetti. È naturale pensare che questa forza attrattiva, nota come forza elettrostatica, sia ciò che fa muovere le cose. Questa forza però non è molto forte e non si è dimostrata adatta ad azionare grandi macchinari nella vita di tutti i giorni. Per questo motivo, la maggior parte dei motori pratici si basa su un meccanismo diverso.
Nel 2017, i ricercatori hanno scoperto un liquido che reagisce alla tensione elettrica in modo molto più intenso rispetto ai materiali ordinari. Questo materiale è chiamato fluido ferroelettrico. Utilizzando questo fluido, i dispositivi che in precedenza richiedevano tensioni pericolosamente elevate possono funzionare a tensioni molto più basse. La forza generata dall’elettricità non si limita all’attrazione nella direzione della tensione applicata. Esiste anche una forza che agisce perpendicolarmente a tale direzione: una forza di spinta laterale. Nei materiali convenzionali, questa forza laterale è estremamente debole ed è stata a lungo considerata troppo piccola per essere sfruttata. Di conseguenza, ha attirato poca attenzione.
Test delle forze elettrostatiche laterali
Il ricercatori dell’Istituto di Scienze di Tokyo si sono concentrati sui fluidi ferroelettrici e hanno riesaminato attentamente la forza laterale. Hanno posizionato il fluido tra due elettrodi distanti solo pochi millimetri e hanno applicato una tensione. Il lavoro è stato pubblicato sulla rivista Communications Engineering.
Il risultato è stato sorprendente: il liquido è stato spinto lateralmente e si è spostato di quasi 10 centimetri, persino contro la forza di gravità. Quando lo stesso esperimento è stato eseguito con liquidi convenzionali, questo movimento non si è verificato.
Un’altra scoperta notevole è stata la modalità con cui la forza aumentava. Nei materiali ordinari, aumentare la tensione non porta facilmente a un grande aumento della forza. Al contrario, con il fluido ferroelettrico, anche un piccolo aumento di tensione ha portato a un aumento proporzionale della forza. Il modo in cui l’elettricità “agisce” in questo materiale è fondamentalmente diverso.
Attraverso un’analisi dettagliata, il team di Science Tokyo ha scoperto che il campo elettrico fa sì che le molecole del liquido si allineino in modo ordinato, generando la forza di spinta laterale. Dopo aver scoperto che la forza può spingere, i ricercatori si sono chiesti se può anche ruotarr.
Costruire motori senza magneti
Basandosi su questo principio, i ricercatori hanno sviluppato un prototipo di motore che non utilizza magneti, né un rotore metallico. Gli esperimenti hanno confermato che il motore può effettivamente ruotare utilizzando questa forza appena sfruttata. Questa scoperta amplia la visione attuale dei motori e dei sistemi di attuazione. Gli attuali motori elettromagnetici richiedono magneti e bobine di rame. Al contrario, questo nuovo principio può generare movimento senza magneti o metalli delle terre rare. In un mondo in cui le risorse sono limitate, questo rappresenta un vantaggio notevole.
La struttura può anche essere più semplice e leggera. Poiché la parte rotante può essere realizzata in resina anziché in metallo, i dispositivi possono essere più leggeri e reattivi. Ciò è vantaggioso per applicazioni in robotica, dispositivi compatti e sistemi di precisione.
Inoltre, poiché questo motore non si basa su campi magnetici, potrebbe essere adatto ad ambienti in cui il rumore magnetico rappresenta un problema, come all’interno di apparecchiature mediche o dispositivi di archiviazione dati. Infine, funziona a tensioni molto più basse rispetto ai dispositivi elettrostatici convenzionali, offrendo maggiore sicurezza e potenziale pratico.
“I nostri esperimenti suggerivano che un rotore di un motore potrebbe non dover più essere necessariamente in metallo. All’inizio sembrava difficile da credere. Ma quando ci siamo fidati dei dati e abbiamo costruito un rotore interamente in plastica, questo ha effettivamente ruotato” spiega Suzushi Nishimura, professore a contratto presso la Scuola di Materiali e Tecnologie Chimiche dell’Istituto di Scienze di Tokyo.
Foto: Courtesy of Specially Appointed Professor Suzushi Nishimura
