Sähkömoottorit ovat nykyaikaisen elämän usein näkymättömiä työjuhtia. Ne toimivat voimanlähteenä pesukoneista tehdaslaitteisiin. Yksittäin katsottuna monet niistä ovat jo erittäin tehokkaita. Niitä on kuitenkin miljardeja, joten jopa pienet parannukset voivat johtaa merkittäviin energiansäästöihin.
Kun espanjalainen tutkija Teresa Pérez Prado sai tietää, kuinka paljon sähkömoottorit kuluttavat Euroopan unionissa sähköä, hän hämmästyi, sillä niiden arvioitiin vastaavan yli 50:tä prosenttia kaikesta EU:ssa kulutetusta sähköstä vuonna 2020.
– Kun nämä luvut valkenivat minulle, olin suorastaan ällistynyt, hän kertoo.
Siitä lähtien tämä tieto on säilynyt pysyvänä motivaation lähteenä hänen työssään.
Ekosuunnittelutoimenpiteillä – eli noudattamalla EU:n sääntöjä, joilla asetetaan energiatehokkuutta koskevat vähimmäisvaatimukset, jotka tuotteiden on täytettävä, jotta niitä voidaan myydä unionin alueella – toteutettavan moottoreiden hyötysuhteen parantamisen odotetaan säästävän vuosittain noin 106 terawattituntia sähköä vuoteen 2030 mennessä. Tämä vastaa suurin piirtein Alankomaiden vuotuista sähkönkulutusta ja pienentäisi energialaskuja noin 20 miljardia euroa vuodessa.
Pérez Prado johtaa kehittyneiden metalliseosten ja metallien 3D-tulostuksen tutkimusta IMDEA Materials Institutessa Madridissa, Espanjassa. Hän osallistui helmikuussa 2026 päätökseen saadun EU-rahoitteisen AM2SoftMag-tutkimusohjelman yhteydessä sellaisten uusien valmistustekniikoiden kehittämiseen, jotka voisivat tehdä tulevaisuuden sähkömoottoreista huomattavasti tehokkaampia.
Tästä haasteesta on tullut entistäkin kiireellisempi sen jälkeen, kun EU hyväksyi heinäkuussa 2026 sähköistämistä edistävän toimintasuunnitelman, jonka tarkoituksena on nopeuttaa siirtymistä fossiilisista polttoaineista sähköön Euroopassa. Sähköistämisessä ei kuitenkaan ole kyse pelkästään sähkön tuotannon lisäämisestä. Sitä on myös käytettävä tehokkaammin.
Tutkijat eri puolilla Eurooppaa ulottavat siksi katseensa perinteistä tekniikkaa pidemmälle kohti kehittyvää alaa, jota kutsutaan kehittyneiksi materiaaleiksi. Suunnittelemalla täysin uusia materiaaleja, joilla on ainutlaatuisia ominaisuuksia, he pyrkivät vähentämään energiahävikkiä, vähentämään riippuvuutta kriittisistä raaka-aineista ja vahvistamaan Euroopan teknologista johtoasemaa.
Tästä hankkeesta vastaa professori Ralf Busch, joka johtaa metallimateriaalien tutkimuslaitosta Saarlandin yliopistossa Saksassa ja koordinoi AM2SoftMag-tutkimusta.
Sen sijaan, että Busch olisi tavoitellut perinteisillä moottorimateriaaleilla saavutettavia pieniä lisähyötyjä, hän on vuosia etsinyt mullistavampaa ratkaisua ja on kehittänyt kokonaan erilaisen metallityypin, joka tunnetaan nimellä metallilasi.
Toisin kuin tavalliset metallit, joiden atomit järjestäytyvät jäähtyessään säännöllisiksi kiderakenteiksi, metallilasit jähmettyvät epäsäännölliseen, lasimaiseen rakenteeseen. Tuo näennäisesti hienovarainen ero muuttaa perusteellisesti niiden käyttäytymistä sähkömoottorin sisällä.
– Metallilasissa ei ole mikrorakenteellisia osia, se on jähmettynyttä nestettä ilman esteitä, Busch selittää.
Jokaisen sähkömoottorin sisällä magneettikentät muuttavat suuntaa jatkuvasti. Perinteiset magneettimateriaalit jarruttavat näitä muutoksia, jolloin energiaa menee hukkaan lämpönä. Metallilasien ansiosta magneettiset alkeisalueet voivat liikkua paljon vapaammin, mikä vähentää tällaista hukkaa. Jo pienilläkin parannuksilla voi olla merkittävä vaikutus.
Metalliseoksen kehittäminen oli kuitenkin vasta ensimmäinen haaste. Tutkijoiden oli myös löydettävä keino valmistaa moottorin komponentteja tuhoamatta sitä lasimaista rakennetta, joka antaa materiaalille sen ainutlaatuiset ominaisuudet.
Tämän tehtävän sai hoidettavakseen Pérez Prado ja hänen kollegansa IMDEA Materials Institutessa. Käyttämällä kehittynyttä laserpohjaista lisäävää valmistusta, joka tunnetaan paremmin nimellä metallin 3D-tulostus, he onnistuivat valmistamaan komponentteja, joissa materiaalin poikkeuksellinen lasimainen sisärakenne säilyi, säätelemällä huolellisesti, miten kukin mikroskooppinen kerros jäähtyi laserin kuljettua sen yli.
– Ainoa tapa luoda tällainen epäjärjestäytynyt rakenne on jäähdyttää nestemäistä metalliseosta noin miljoonan celsiusasteen sekuntivauhdilla, Pérez Prado selittää.
Prosessi vaati poikkeuksellista tarkkuutta, sillä liian korkea lämpötila saisi materiaalin kiteytymään, jolloin se menettäisi juuri ne ominaisuudet, jotka tekevät siitä houkuttelevan.
Tämä läpimurto on herättänyt yhä enemmän huomiota.
– Saamme nyt näitä aineistoja koskevia kyselyitä muilta Euroopassa toimivilta akateemisilta tutkimusryhmiltä, hän kertoo.
Myös Busch on innoissaan.
– Tämä on ensimmäinen kerta, kun näistä lasimaisista metalleista on valmistettu sähkömoottoreiden komponentteja. Se on tärkeä askel tämän teknologian saattamisessa laboratoriosta käytäntöön, hän sanoo.
Materiaalin kehittämisen ja tulostamisen lisäksi seuraava kysymys oli, voisivatko nämä komponentit saada aikaan merkittäviä parannuksia toimivan sähkömoottorin sisällä.
Saarlandin yliopiston professori Matthias Nienhaus, joka on sähkökäyttötekniikkaan ja korkean hyötysuhteen moottoreihin erikoistunut insinööri, johti hankkeen sitä osaa, jossa uudet materiaalit integroitiin käytännön moottorirakenteisiin.
– Jos pystymme parantamaan niiden tehokkuutta edes yhdellä prosentilla, säästämme paljon energiaa, hän sanoo.
Tutkijat toivovat, että joissakin käyttötarkoituksissa voitaisiin lopulta saavuttaa jopa viiden prosentin parannuksia. Hyödyt voivat ulottua paljon pidemmälle kuin pelkästään alhaisempiin sähkölaskuihin.
Tehokkaammat moottorit mahdollistaisivat sen, että sähköajoneuvot, droonit ja akkukäyttöiset työkalut voisivat toimia pidempään pienemmillä akuilla. Ne voisivat myös vähentää kriittisten raaka-aineiden kysyntää.
Jotkut tulevaisuuden moottorimallit, joissa käytetään edistyksellisiä pehmeämagneettisia materiaaleja, saattavat jopa vähentää Euroopan riippuvuutta harvinaisista maametalleista valmistetuista kestomagneeteista, joiden maailmanlaajuisia toimitusketjuja hallitsee tällä hetkellä Kiina.
Työ on edelleen perustutkimusta, mutta perusta alkaa jo asettua paikoilleen.
Buschin tutkimusryhmä on kehittänyt uusia koboltittomia metallilasiseoksia, mikä vähentää riippuvuutta kriittisestä raaka-aineesta, johon liittyy toimitusriskejä ja ympäristöongelmia.
Pérez Pradon tutkimusryhmä on osoittanut, että näitä seoksia voidaan valmistaa metallin 3D-tulostuksen avulla. Nienhaus ja hänen kollegansa työskentelevät parhaillaan uusien komponenttien pohjalta rakennettujen kokonaisten sähkömoottoreiden optimoimiseksi.
Haasteita on kuitenkin edelleen. Tutkijoiden on vielä kehitettävä tulostusprosessia teollisen mittakaavan tuotantoa varten ja vähennettävä entisestään valmiiden komponenttien sisäisiä sähköhäviöitä.
– Tällaista tapahtuu tutkimuksessa, Nienhaus sanoo.
– Ensin vastataan yhteen kysymykseen, mutta se herättää uusia kysymyksiä.
Hän katsoo kuitenkin, että mahdolliset hyödyt oikeuttavat ponnistelut:
– Monet laitteet ovat nykyään akkukäyttöisiä. Sähkömoottoreiden tehokkuuden parantaminen tarkoittaa, että laitteet voivat toimia pidempään ilman, että tarvitaan suurempia akkuja.
Kun Eurooppa nopeuttaa siirtymistään yhä sähköistyneempään talouteen, tämänkaltaiset innovaatiot osoittavat, miksi kehittyneet materiaalit siirtyvät nopeasti erikoislaboratorioista Euroopan teollisuuspolitiikan keskiöön.
Toisinaan arkea muovaavien teknologioiden uudistaminen ei ala uudesta laitteesta, vaan täysin uudesta tavasta tarkastella materiaaleja, joista se on valmistettu.
Tämä artikkeli julkaistiin alun perin EU:n tutkimusta ja innovointia käsittelevässä Horizon-lehdessä.
Tässä artikkelissa käsiteltyä tutkimusta on osittain rahoittanut Euroopan innovaationeuvosto (EIC).