La Universidad de Tokio muestra con éxito el primer motor ferroeléctrico del mundo sin tierras raras ni imanes
Japón estrena el motor ferroeléctrico: funciona con plástico y electricidad estática en lugar de imanes. Un hito de ENEOS Materials para lograr coches más ligeros y baratos.
Durante más de un siglo se ha asociado el motor eléctrico con imanes, bobinas de cobre y campos magnéticos. Ahora, investigadores japoneses acaban de demostrar que esa no es la única forma posible.
Han presentado un prototipo que prescinde por completo de imanes y tierras raras y se apoya en un fluido ferroeléctrico y en una fuerza electrostática descrita hace más de cien años.
De acuerdo con la investigación de Ryo Nishimura y Shota Tsukamoto, publicada en Nature Communications Engineering, esto apunta a una nueva clase de motores que podrían funcionar sin neodimio ni disprosio.
Un motor que funciona sin cobre, sin metal y sin imanes
El desarrollo, que corre a cargo del Institute of Science Tokyo junto a ENEOS Materials, ha confirmado que el estátor se rellena con un fluido ferroeléctrico y el rotor es una pieza de plástico impresa en 3D.
En lugar de bobinas de cobre girando dentro de un campo magnético, aparece un rotor muy ligero empujado por fuerzas electrostáticas generadas en el fluido.
La diferencia clave frente a un motor clásico es que no necesita imanes permanentes, no depende de metales magnéticos en el rotor y el conjunto no genera un campo magnético externo apreciable.
El objetivo a alto nivel es claro, que es demostrar que la conversión de electricidad en movimiento puede basarse en un principio físico distinto al que domina hoy la industria.
Cabe señalar que el núcleo físico del invento no está en el magnetismo, sino en una fuerza electrostática concreta, que es la fuerza electrostática transversal.
Es un componente del tensor de tensiones de Maxwell que actúa de forma perpendicular al campo eléctrico aplicado, un empuje lateral en lugar de una atracción directa entre cargas.
Esa fuerza se conoce en teoría desde finales del siglo XIX, pero en materiales convencionales es entre mil y diez mil veces más débil que las fuerzas magnéticas equivalentes.
Para observar efectos útiles eran necesarias decenas de kilovoltios, un rango poco práctico y peligroso. Según los investigadores, esa ha sido la barrera histórica.
Un fluido ferroeléctrico que multiplica la fuerza
El equipo trabaja con un cristal líquido ferroeléctrico nemático descubierto en 2017, identificado como mezcla DIO/DIO‑CN. A diferencia de un aislante corriente, mantiene una polarización eléctrica espontánea y presenta una constante dieléctrica miles de veces superior a la de materiales habituales.
Su densidad de polarización también es varios órdenes de magnitud mayor. En la práctica, bajo un campo eléctrico modesto, la respuesta interna del material es enorme.
Según la investigación publicada, al colocar este fluido entre electrodos, se consigue que la fuerza electrostática transversal genere presiones macroscópicas apreciables con voltajes de apenas 20–80 voltios, en lugar de los miles que habrían sido necesarios con otros materiales.
Para validar el concepto, el equipo plantea primero un experimento muy visual. Al aplicar unos 60–80 voltios entre dos electrodos sumergidos en el cristal líquido, el fluido asciende varios centímetros en contra de la gravedad.
No es un efecto microscópico, sino que se aprecia a simple vista, lo que certifica que la fuerza es capaz de mover materia de forma clara. A partir de ahí se construye el motor.
El estátor tiene 24 polos y tres fases y se rellena con el fluido ferroeléctrico. El rotor, de 16 polos, se imprime íntegramente en plástico, mientras que el voltaje se aplica solo al estátor; el rotor no lleva cableado ni alimentación.
Con señales trifásicas pulsadas de unos 60 voltios a 10 Hz, el rotor empieza a girar de forma continua a unas 40 revoluciones por minuto.
El giro se produce porque la fuerza electrostática empuja de forma secuencial los extremos del rotor, generando un movimiento rotativo sin necesidad de imanes ni metal en la parte móvil.
Adiós al neodimio, al menos sobre el papel
Aquí se encuentra una de las claves del desarrollo, puesto que los motores de alta eficiencia que alimentan vehículos eléctricos, robots o muchos equipos industriales dependen de imanes permanentes con tierras raras como neodimio o disprosio.
Su extracción está concentrada en pocos países, lo que introduce riesgos de precio, suministro y presión geopolítica.
En este diseño, el rotor es plástico, el fluido es un compuesto orgánico sintetizable a partir de carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno, y el sistema no emite campo magnético externo.
Para un país como Japón, con fuerte industria tecnológica y reservas limitadas de tierras raras, una tecnología así encaja directamente en la agenda de seguridad económica, con menos dependencia de materiales críticos y más control sobre la cadena de valor.
Es importante mencionar que el prototipo está muy lejos de sustituir a un motor comercial, pero deja claro que apunta hacia robots humanoides, drones y vehículos eléctricos donde cada gramo cuenta.
Hoy el rotor gira a unas 40 rpm, una cifra modesta, pero los investigadores plantean que, si se mejoran las propiedades dieléctricas del fluido y se apilan varias capas de estátor y rotor en una configuración multifase, podrían alcanzarse velocidades del orden de 1.000 rpm y escalar el par de salida.
La tecnología está en una fase temprana, con muchas piezas por resolver, pero apunta hacia actuadores más ligeros, potencialmente más sostenibles y menos atados a recursos geopolíticamente sensibles.
Si este concepto escala en las próximas décadas, su impacto podría sentirse en algo tan pequeño como un dispositivo médico de precisión o tan complejo como la próxima generación de robots y drones.