جيمس ماكنزي يدرك أننا سنحتاج إلى الكثير من المغناطيس إذا أردنا تحويل الاقتصاد إلى اللون الأخضر
لقد كنت مؤخرا في نيوكاسل للحضور بي إم دي2022 – المؤتمر الدولي الحادي عشر لإلكترونيات القوى والآلات والمحركات. ما أذهلني لم يكن فقط التحسينات الهائلة في الأداء التي حدثت في المحركات والمولدات الكهربائية، بل أيضًا إلى أي مدى لا يزال يتعين علينا أن نقطعه لجعل وسائل النقل خالية تمامًا من الكربون.
تضاعفت المبيعات العالمية للسيارات الكهربائية (بما في ذلك السيارات التي تعمل بالبطاريات بالكامل وخلايا الوقود والسيارات الهجينة) في عام 2021 إلى أعلى مستوى لها على الإطلاق عند 6.6 مليون. وهي تمثل الآن ما بين 5% إلى 6% من مبيعات السيارات، مع بيع المزيد منها كل أسبوع مقارنة بعام 2012 بأكمله، وفقًا لتقرير XNUMX. التوقعات العالمية للمركبات الكهربائية لعام 2022 تقرير.
ستحتاج كل مركبة كهربائية جديدة إلى محرك كهربائي واحد عالي الطاقة على الأقل.
تختلف التوقعات، ولكن من المتوقع أن ترتفع المبيعات السنوية إلى 65 مليون سيارة كهربائية بحلول عام 2030 على مستوى العالم، وفقًا لشركة أبحاث السوق. IHS ماركيت. وفي المقابل، ستنخفض المبيعات السنوية للمركبات ذات محركات الاحتراق الداخلي من 68 مليون وحدة في عام 2021 إلى 38 مليونا بحلول عام 2030.
والأمر الواضح هو أن كل سيارة كهربائية جديدة ستحتاج إلى محرك كهربائي واحد عالي الطاقة على الأقل. تستخدم جميع هذه المركبات تقريبًا (حوالي 85%) حاليًا محركات ذات مغناطيس دائم (PMs) لأنها الأكثر كفاءة (الرقم القياسي هو 98.8%). يستخدم عدد قليل منها المحركات الحثية والمولدات ذات التيار المتردد، لكنها أقل كفاءة بنسبة 4-8% من المحركات PM، وأثقل بنسبة تصل إلى 60%، وأكبر بنسبة تصل إلى 70%.
هل يمكن لهذه الطائرة الثورية أن تحول السفر جواً إلى اللون الأخضر؟
ومع ذلك، فإن هذه المحركات والمولدات التي لا تحتوي على الجسيمات تعتبر مثالية للشاحنات والسفن ومولدات توربينات الرياح. كما أنها سهلة إعادة التدوير لأنها يمكن، من حيث المبدأ، أن تكون مصنوعة من مادة واحدة (مثل الألومنيوم) ثم يتم صهرها عندما تصل إلى نهاية عمرها الافتراضي. حتى أن بعض الشركات، مثل شركة تيسلا موتورز، تجمع بين أساليب PM والكهرومغناطيسية في تصميمات أكثر تعقيدًا لتحسين الأداء والمدى. ومع ذلك، لن يكون أي من التقدم في السيارات الكهربائية ممكنًا دون التقدم الهائل في إلكترونيات الطاقة ذات الحالة الصلبة.
جذب المغناطيسي
لقد قطع المغناطيس شوطا طويلا منذ أن لاحظ أحد الرعاة في مغنيسيا في شمال اليونان المسامير في حذائه والطرف المعدني لعصاه ملتصق بسرعة بصخرة مغناطيسية (أو هكذا تقول الأسطورة). تم استخدام "أحجار المغناطيس" هذه لآلاف السنين في البوصلات للتنقل، ولكن لم يكتشف هانز كريستيان أورستد حتى أوائل القرن التاسع عشر أن التيار الكهربائي يمكن أن يؤثر على إبرة البوصلة.
أول عرض للمحرك ذو الحركة الدوارة حدث في عام 1821 عندما قام مايكل فاراداي بغمس سلك معلق في بركة من الزئبق، حيث تم وضع PM. تم تطوير أول محرك كهربائي يعمل بالتيار المستمر يمكنه تشغيل الآلات بواسطة عالم بريطاني وليام ستورجون في عام 1832. قام المخترعان الأمريكيان توماس وإميلي دافنبورت ببناء أول محرك كهربائي يعمل بالتيار المستمر يعمل بالبطارية في نفس الوقت تقريبًا.
تم استخدام هذه المحركات لتشغيل الأدوات الآلية والمطبعة. ولكن نظرًا لأن طاقة البطارية كانت باهظة الثمن، لم تنجح المحركات تجاريًا، وانتهى الأمر بإفلاس شركة Davenports. المخترعون الآخرون الذين حاولوا تطوير محركات التيار المستمر التي تعمل بالبطارية واجهوا صعوبة في تحمل تكلفة مصدر الطاقة أيضًا. في نهاية المطاف، في ثمانينيات القرن التاسع عشر، تحول الاهتمام إلى محركات التيار المتردد، التي استفادت من حقيقة إمكانية إرسال التيار المتردد عبر مسافات طويلة بجهد عالي.
تم اختراع أول "محرك حثي" يعمل بالتيار المتردد على يد الفيزيائي الإيطالي جاليليو فيراريس في عام 1885، حيث يتم الحصول على التيار الكهربائي لتشغيل المحرك عن طريق الحث الكهرومغناطيسي من المجال المغناطيسي لملف الجزء الثابت. جمال هذا الجهاز هو أنه يمكن تصنيعه دون أي توصيلات كهربائية للدوار - وهي فرصة تجارية استغلها نيكولا تيسلا. بعد أن اخترع بشكل مستقل المحرك التعريفي الخاص به في عام 1887، حصل على براءة اختراع لمحرك التيار المتردد في العام التالي.
ومع ذلك، لسنوات عديدة، لم يكن لدى الجسيمات الدقيقة مجالات أعلى من الماجنتيت الطبيعي (حوالي 0.005 طن). لم يكن الأمر كذلك حتى تطوير النيكو (سبائك معظمها من الألومنيوم والنيكل والكوبالت) في ثلاثينيات القرن العشرين، حيث أصبحت محركات ومولدات PM DC المفيدة عمليًا أمرًا ممكنًا. في الخمسينيات من القرن الماضي، ظهرت مغناطيسات الفريت (السيراميك) منخفضة التكلفة، وتلاها في الستينيات مغناطيسات السماريوم والكوبالت، والتي أصبحت أقوى مرة أخرى.
لكن التغيير الحقيقي لقواعد اللعبة حدث في الثمانينات مع اختراع مواد PM النيوديميوم، التي تحتوي على النيوديميوم والحديد والبورون. في هذه الأيام، تبلغ قوة درجة N1980 من النيوديميوم PMs حوالي 42 طن، على الرغم من أن هذا ليس المقياس الرئيسي الوحيد عندما يتعلق الأمر بتصميم المغناطيس والمحرك: درجة حرارة التشغيل حيوية أيضًا.
ارتفعت أسعار بعض المواد الأرضية النادرة بشكل كبير، مما دفع إلى إجراء قدر هائل من الأبحاث حول تركيبات مغناطيسية جديدة.
وذلك لأن أداء PMs ينخفض أثناء عملية الإحماء، وبمجرد أن يتجاوزوا "نقطة كوري" (حوالي 320 درجة مئوية لمغناطيس النيوديميوم)، فإنهم يزيلون المغناطيسية تمامًا - مما يجعل المحرك عديم الفائدة. شيء آخر مهم حول جميع المغناطيسات الأرضية النادرة، بما في ذلك النيوديميوم والكوبالت والسماريوم، هو أن لديهم قوة قسرية عالية، مما يعني أنها لا يمكن إزالة المغناطيسية بسهولة أثناء التشغيل. للحصول على أعلى قوة قسرية وأفضل أداء للمغناطيس في درجة الحرارة، فإنك تحتاج أيضًا إلى كميات صغيرة من العناصر الأرضية النادرة الثقيلة الأخرى مثل الديسبروسيوم والتيربيوم والبراسيوديميوم.
مسألة العرض
المشكلة هي أن العناصر الأرضية النادرة قليلة المعروض. ليس لأنها نادرة في جوهرها، اسمها يأتي ببساطة من موقعها في الجدول الدوري. وفقا لتقرير العام الماضي من مغناطيسات ومواد ذ.م.موبحلول عام 2030، سيحتاج العالم إلى 55,000 ألف طن إضافية من مغناطيس النيوديميوم مقارنة بما يحتمل أن يكون متاحا، ومن المتوقع أن يأتي 40% من إجمالي الطلب من السيارات الكهربائية و11% من توربينات الرياح.
تصنع الصين حاليًا 90% من جميع مغناطيسات النيوديميوم في العالم، ولهذا السبب تحاول الولايات المتحدة والاتحاد الأوروبي ودول أخرى تطوير قدراتها في سلسلة التوريد حتى لا تتضرر. ارتفعت أسعار بعض المواد الأرضية النادرة بشكل كبير، مما أدى إلى إجراء قدر كبير من الأبحاث حول تركيبات مغناطيس جديدة، وإعادة تدوير المغناطيس الموجود والمحركات الحثية المتقدمة التي تعمل بالتيار المتردد.
وأيًا كانت الطريقة التي تنظر بها إلى الأمر، فسنحتاج إلى الكثير من المغناطيس إذا أردنا أن نجعل الاقتصاد صديقًا للبيئة.
