Robert Sansone ialah seorang jurutera semula jadi. Daripada tangan animatronik kepada kasut larian berkelajuan tinggi dan go-kart yang boleh mencapai kelajuan lebih daripada 70 batu sejam, pencipta yang berpangkalan di Fort Pierce, Florida menganggarkan dia telah menyiapkan sekurang-kurangnya 60 projek kejuruteraan pada masa lapangnya. Dan dia baru berumur 17 tahun.
Beberapa tahun yang lalu, Sansone menjumpai video mengenai kelebihan dan kekurangan kereta elektrik. Video itu menjelaskan bahawa kebanyakan motor kereta elektrik memerlukan magnet yang diperbuat daripada unsur nadir bumi, yang boleh menelan kos dari segi kewangan dan alam sekitar yang tinggi untuk diekstrak. Bahan nadir bumi yang diperlukan boleh menelan kos ratusan dolar setiap kilogram. Sebagai perbandingan, tembaga bernilai $7.83 sekilogram.
"Saya mempunyai minat yang tinggi dalam motor elektrik," kata Sansone dalam projek robotik yang berbeza. "Dengan isu kemampanan itu, saya mahu menanganinya, dan mencuba untuk mereka bentuk motor yang berbeza."
Pelajar sekolah menengah itu pernah mendengar tentang sejenis motor elektrik—the synchronous reluctance motor—yang tidak menggunakan bahan nadir bumi. Motor jenis ini pada masa kini digunakan untuk pam dan kipas, tetapi ia tidak cukup kuat dengan sendirinya untuk digunakan dalam kenderaan elektrik. Jadi, Sansone mula memikirkan cara bagaimana untuk meningkatkan prestasinya.
Sepanjang tempoh setahun, Sansone mencipta prototaip novel synchronous reluctance motor yang mempunyai daya putaran—atau torque—dan kecekapan yang lebih besar daripada yang sedia ada. Prototaip itu dibuat daripada plastik cetakan 3-D, wayar tembaga dan pemutar keluli, dan diuji menggunakan pelbagai meter untuk mengukur kuasa dan takometer laser untuk menentukan kelajuan putaran motor. Hasil kerjanya memperoleh hadiah pertama, dan $75,000 dalam kemenangan, pada Pameran Sains dan Kejuruteraan Antarabangsa Regeneron (ISEF) tahun 2022, pertandingan STEM sekolah menengah antarabangsa terbesar.
Motor magnet kekal yang kurang lestari menggunakan bahan seperti neodymium, samarium dan dysprosium, yang mendapat permintaan tinggi kerana ia digunakan dalam pelbagai produk, termasuk headphone dan earphone, jelas Heath Hofmann, seorang profesor kejuruteraan elektrik dan komputer di University of Michigan. Hofmann telah bekerja secara meluas dalam bidang kenderaan elektrik, termasuk perundingan dengan Tesla untuk membangunkan algoritma kawalan untuk pemanduan pendorongnya.
"Bilangan aplikasi yang menggunakan magnet nampaknya semakin meluas," katanya. "Banyak bahan dilombong di China, jadi harga selalunya bergantung pada status perdagangan kami dengan China." Hofmann menambah bahawa Tesla baru-baru ini mula menggunakan magnet kekal dalam motornya.
Motor elektrik menggunakan medan elektromagnet berputar untuk memutar pemutarnya. Gegelung wayar di bahagian luar pegun motor, dipanggil stator, menghasilkan medan elektromagnet ini. Dalam motor magnet kekal, magnet yang dipasang pada tepi pemutar berputar menghasilkan medan magnet yang tertarik ke kutub bertentangan pada medan berputar. Tarikan ini memutarkan rotor.
Synchronous reluctance motors tidak menggunakan magnet. Sebaliknya, pemutar keluli dengan jurang udara yang dipotong ke dalamnya menjajarkan dirinya dengan medan magnet berputar. Keengganan, atau kemagnetan bahan, adalah kunci kepada proses ini. Apabila rotor berputar bersama-sama dengan medan magnet berputar, torque dihasilkan. Lebih banyak torque dihasilkan apabila nisbah saliency, atau perbezaan kemagnetan antara bahan (dalam kes ini, keluli dan jurang udara bukan magnet), adalah lebih besar.
Daripada menggunakan jurang udara, Sansone terfikir yang dia boleh memasukkan satu lagi medan magnet ke dalam motor. Ini akan meningkatkan nisbah saliency ini dan, seterusnya, menghasilkan lebih torque. Reka bentuknya mempunyai komponen lain, tetapi dia tidak dapat mendedahkan lebih banyak butiran kerana dia berharap dapat patenkan teknologi itu pada masa hadapan.
"Setelah saya mendapat idea awal ini, saya melakukan beberapa prototaip untuk mencuba dan melihat sama ada reka bentuk itu benar-benar berfungsi, " kata Sansone. "Saya tidak mempunyai banyak sumber untuk membuat motor yang sangat canggih, jadi saya terpaksa membuat versi yang lebih kecil-model skala-menggunakan pencetak 3-D."
Dia menggunapakai beberapa buah prototaip sebelum dia boleh menguji reka bentuknya.
"Saya tidak mempunyai mentor untuk membantu saya, jadi setiap kali motor gagal, saya perlu melakukan banyak penyelidikan dan cuba menyelesaikan masalah yang berlaku," katanya. "Tetapi akhirnya pada motor ke-15, saya boleh mendapatkan prototaip yang berfungsi."
Sansone menguji motornya untuk torque dan kecekapan, dan kemudian mengkonfigurasinya semula untuk berjalan sebagai synchronous reluctance motors yang lebih tradisional untuk perbandingan. Dia mendapati reka bentuk novelnya mempamerkan torque 39 peratus lebih besar dan kecekapan 31 peratus lebih besar pada 300 pusingan seminit (RPM). Pada 750 RPM, ia menunjukkan kecekapan 37 peratus lebih tinggi. Dia tidak dapat menguji prototaipnya pada revolusi yang lebih tinggi seminit kerana kepingan plastik akan menjadi terlalu panas—pengajaran yang dia pelajari apabila salah satu prototaip itu cair di atas mejanya, dia memberitahu Top of the Class, podcast yang dihasilkan oleh Crimson Education.
Sebagai perbandingan, motor Model S Tesla boleh mencapai sehingga 18,000 RPM, jelas pereka motor utama syarikat itu Konstantinos Laskaris dalam temu bual 2016 dengan Christian Ruoff dari majalah kenderaan elektrik Charged.
Sansone mengesahkan keputusannya dalam percubaan kedua, di mana dia "mengasingkan prinsip teori di mana reka bentuk novel mencipta kepentingan magnet," pada pembentangan projeknya. Pada asasnya, percubaan ini menghapuskan semua pembolehubah lain, dan mengesahkan bahawa penambahbaikan dalam torque dan kecekapan dikaitkan dengan nisbah kepentingan yang lebih besar bagi reka bentuknya.
"Dia sedang berada di jalan yang benar," kata Hofmann tentang Sansone. "Terdapat potensi bahawa ia boleh menjadi perkara yang besar." Walaupun begitu, dia menambah bahawa ramai profesor bekerja untuk menyelidik sepanjang hidup mereka, dan "agak jarang mereka akhirnya mengambil alih dunia."
Hofmann berkata bahan untuk synchronous reluctance motors adalah murah, tetapi mesinnya kompleks dan terkenal dengan kesukarannya untuk dihasilkan. Oleh itu, kos pembuatan yang tinggi merupakan penghalang kepada penggunaan meluasnya—dan faktor pengehad utama kepada ciptaan Sansone.
Sansone bersetuju, tetapi berkata "dengan teknologi baharu seperti pembuatan bahan tambahan [seperti pencetakan 3-D], lebih mudah untuk membinanya pada masa hadapan."
Sansone kini sedang mengusahakan pengiraan dan pemodelan 3-D untuk versi 16 motornya, yang dia merancang untuk membina daripada bahan yang lebih kukuh supaya dia boleh mengujinya pada putaran lebih tinggi seminit. Jika motornya terus berfungsi dengan kelajuan dan kecekapan tinggi, dia berkata dia akan bergerak ke hadapan dengan proses paten.
Sebagai bakal senior di Fort Pierce Central High School, Sansone mempunyai impian untuk menghadiri Massachusetts Institute of Technology. Kemenangannya daripada ISEF akan digunakan untuk tuisyen kolej.
Sansone berkata dia pada asalnya tidak merancang untuk menyertai pertandingan itu. Tetapi apabila dia mengetahui bahawa salah satu kelasnya membenarkannya menyiapkan projek penyelidikan dan kertas kerja selama setahun mengenai topik pilihannya, dia memutuskan untuk mengambil peluang untuk terus bekerja pada motornya.
"Saya terfikir jika saya dapat memberikan tenaga sebanyak ini, saya juga boleh menjadikannya projek pameran sains dan bersaing dengannya," jelasnya. Selepas berjaya dalam pertandingan peringkat daerah dan negeri, beliau mara ke ISEF.
Sansone sedang menunggu sehingga fasa ujian seterusnya sebelum dia mendekati mana-mana syarikat kereta, tetapi dia berharap suatu hari nanti motornya akan menjadi reka bentuk pilihan untuk kenderaan elektrik.
"Bahan nadir bumi dalam motor elektrik sedia ada merupakan faktor utama yang menjejaskan kemampanan kenderaan elektrik," katanya. "Melihat hari apabila EV mampan sepenuhnya kerana bantuan reka bentuk novel motor saya, adalah impian menjadi kenyataan."
SUMBER: Diterjemah daripada https://www.smithsonianmag.com/innovation/this-17-year-old-designed-a-motor-that-could-potentially-transform-the-electric-car-industry-180980550/
Tiada ulasan:
Catat Ulasan