Elektrimasinad toodavad praktiliselt kogu maailma elektrienergia ja tarbivad sellest ligi poole. Sarnaselt kõikidele teistele elektriseadeldistele toodavad masinad töö käigus soojust ja vajavad jahutust. Kahjuks on traditsioonilised tootmismeetodid siiani jahutite kuju piiranud. Nõnda vajavad elektrijaamad tihti hooldust ja tõukerattad ei kiirenda piisavalt nobedalt, kirjutab Tallinna Tehnikaülikooli elektroenergeetika ja mehhatroonika instituudi doktorant-nooremteadur Martin Sarap.

Tarbijad tahavad aina võimsamaid ja efektiivsemaid mootoreid erinevates tööstustes. Näiteks transpordis – elektriauto kiirendust ja tippkiirust piirab suuresti toodetud soojusenergia. Sama võib öelda erinevate e-liikurite kohta, kus ülekuumenemisest tulenev seadmete kiire kulumine kujutab endas suurt väljakutset. Seega on jahedamatele mootoritele kindlasti turgu, kuid probleem on nende ehitamises.

Kõige lihtsam mootor kasutab jahtumiseks loomulikku konvektsiooni ehk sooja õhu kalduvust raskusjõu mõjul üles tõusta. Õhu kontaktpindala suurendamiseks lisatakse masina pinnale sirged metallist ribid. Taolised jahutid on tuntud ja ülimalt laialt kasutatud. Samas on neil suur puudus – need ei ole ligilähedalgi nii tõhusad, kui need olla võiks. Masina ehitajaid selles süüdistada ei saa. Parim võimalik jahutusseade on kujult nii keeruline, et seda on keeruline raske teoks teha, vähemalt ilma 3D-printerita.

3D-printimine ehk kihtlisandustehnoloogia tähendab ruumilise objekti valmistamist õhukestest kihtidest. Piisab ainult digitaalse mudeli olemasolust ja masin suudab selle justkui tühjast õhust valmis teha. Sealjuures ei oma tähtsust detaili keerukus ja materjalide valik on tänapäeval lai – prinditakse alumiiniumi, vaske ja isegi elektrotehnilist terast. Seega on võimalik luua struktuure, mida antud materjalidest muud moodi valmistada ei saagi. Elektrimasinatele pakub see muu hulgas võimalusi nende jahutuse täiustamiseks.

Üks võimalus on asendada tavapärase mootori radiaator tehisintellekti kavandatud ehk topoloogiaoptimeeritud jahutiga. Kui sellised geomeetriad on siiani olemas olnud vaid digitaalsel kujul, siis 3D-printeri abil on neid lõpuks võimalik ka päriselt valmis teha. Tulemus on keeruka ja elusloodusele omase kujuga objekt, mis on võimekam ühestki inimese enda poolt loodud jahutist. Huvitaval kombel meenutavad taolised seadmed erinevaid merepõhja elukaid.

Paljutõotav on ka mootori mähiste otsene jahutamine, kuna just seal tekib enamus masinas toodetud soojusest. Traditsiooniline mähis kujutab endast raua ümber keritud ümmargust vasktraati ja selle otseseks jahutamiseks palju võimalusi ei ole. Samas võib 3D-prinditud mähise luua näiteks seest tühjana, et saaks sealt otse jahutusvedelikku läbi lasta. Samuti võib see olla mistahes kujuga ja käituda iseenda radiaatorina. Ühe sellise mähise olen ka enda teadustöö käigus valmis teinud.

Lisaks olen mõõtnud 3D-prinditud metallide soojuslikke omadusi. Sarnaselt elektrijuhtivusega on igal materjalil soojusjuhtivustegur, mis määrab ära, kui hästi soojus läbi materjali liigub. Prinditud detailil ei pruugi see olla oodatud väärtusega, kuna sealne kristallstruktuur võib olla moonutatud. Lisaks sõltuvad prinditud detaili omadused sellest, mis orientatsioonis see valmistati. Näiteks printerist välja tulnud alumiiniumisulamist osa juhib soojust kihtide suunas märksa paremini.

Viimasel ajal keskendun enda teadustöös kärgstruktuuride kasutamisele. Nende abil saab luua poorseid detaile, mis on mehaaniliselt tugevad, kuid millest liigub õhk läbi. Üks kasulik lahendus näib olevat lihtne kuusnurkne mesilaskärje struktuur. Ülim eesmärk on leida siiski geomeetria, mis kõigele muule lisaks on parimate võimalike elektromagnetiliste omadustega. Kahjuks taolist lahendust ilmselt juba loodusest ei leia.

Ei lähe kaua aega, kuni 3D-prinditud elektrimasinad muutuvad tavaliseks ka meie igapäevaelus. Kas tulevase luksusklassi elektriauto mootor näeb välja mesilaskärje või korallrahu moodi, on aga veel lahtine küsimus.

Martin Sarap on Tallinna Tehnikaülikooli elektroenergeetika ja mehhatroonika instituudi doktorant-nooremteadur, kes töötab elektrimasinate grupis kihtlisandustehnoloogia ehk 3D printimise kallal. Doktoritöö raames mõtleb ta välja ja katsetab erinevaid meetodeid, kuidas metalli 3D-printimist ära kasutada elektrimasinate jahutamiseks. Lisaks õpetab ta tudengeid aines "Elektromagnetism ja elektrimasinad", juhendab mitut bakalaureuse- ja magistritudengit ning viib läbi töötube nii Noore inseneri programmi kui ka Rakett 21 raames.

Artikkel ilmus Eesti Teaduste Akadeemia korraldatava konkursi "Teadus 3 minutiga" raames, mille pidulik finaal toimub 3. veebruaril.