Τζέιμς ΜακΚένζι συνειδητοποιεί ότι θα χρειαστούμε πολλούς μαγνήτες αν θέλουμε να κάνουμε πράσινη την οικονομία
Ήμουν πρόσφατα στο Newcastle για να παρευρεθώ PEMD2022 – το 11ο διεθνές συνέδριο για τα ηλεκτρονικά ισχύος, τις μηχανές και τους κινητήρες. Αυτό που με εντυπωσίασε δεν ήταν μόνο οι τεράστιες βελτιώσεις απόδοσης που έχουν συμβεί στους ηλεκτρικούς κινητήρες και τις γεννήτριες, αλλά πόσο μακριά πρέπει να φτάσουμε ακόμη για να κάνουμε τη μεταφορά εντελώς χωρίς άνθρακα.
Οι παγκόσμιες πωλήσεις ηλεκτρικών αυτοκινήτων (συμπεριλαμβανομένων πλήρως μπαταριών, κυψελών καυσίμου και plug-in υβριδικών) διπλασιάστηκαν το 2021 στο ιστορικό υψηλό όλων των εποχών στα 6.6 εκατομμύρια. Τώρα αντιπροσωπεύουν το 5-6% των πωλήσεων οχημάτων, με περισσότερες πωλήσεις κάθε εβδομάδα από ό,τι στο σύνολο του 2012, σύμφωνα με την Global Electric Vehicle Outlook 2022 αναφέρουν.
Κάθε νέο ηλεκτρικό όχημα θα χρειάζεται τουλάχιστον έναν ηλεκτροκινητήρα υψηλής ισχύος.
Οι προβλέψεις ποικίλλουν, αλλά οι ετήσιες πωλήσεις αναμένεται να αυξηθούν σε 65 εκατομμύρια ηλεκτρικά οχήματα έως το 2030 παγκοσμίως, σύμφωνα με εταιρεία ερευνών αγοράς IHS Markit. Οι ετήσιες πωλήσεις οχημάτων με κινητήρες εσωτερικής καύσης, αντίθετα, θα μειωθούν από 68 εκατομμύρια μονάδες το 2021 σε 38 εκατομμύρια έως το 2030.
Αυτό που είναι προφανές είναι ότι κάθε νέο ηλεκτρικό όχημα θα χρειάζεται τουλάχιστον έναν ηλεκτροκινητήρα υψηλής ισχύος. Σχεδόν όλα (περίπου 85%) από αυτά τα οχήματα χρησιμοποιούν επί του παρόντος κινητήρες με μόνιμο μαγνήτη (PMs) καθώς είναι οι πιο αποδοτικοί (το ρεκόρ είναι 98.8%). Μερικοί χρησιμοποιούν κινητήρες και γεννήτριες επαγωγής εναλλασσόμενου ρεύματος (AC), αλλά είναι 4–8% λιγότερο αποδοτικοί από τους κινητήρες PM, έως και 60% βαρύτεροι και έως 70% μεγαλύτεροι.
Θα μπορούσε αυτό το επαναστατικό αεροπλάνο να κάνει πράσινο τα αεροπορικά ταξίδια;
Ωστόσο, αυτοί οι κινητήρες και γεννήτριες χωρίς PM είναι ιδανικοί, για παράδειγμα, για φορτηγά, πλοία και γεννήτριες ανεμογεννητριών. Είναι επίσης εύκολο να ανακυκλωθούν καθώς μπορούν, καταρχήν, να είναι κατασκευασμένα από ένα υλικό (ας πούμε από αλουμίνιο) και στη συνέχεια να λιώσουν όταν φτάσουν στο τέλος της ζωής τους. Ορισμένες εταιρείες, όπως η Tesla Motors, συνδυάζουν ακόμη και τις προσεγγίσεις PM και ηλεκτρομαγνητικής σε όλο και πιο πολύπλοκα σχέδια για τη βελτιστοποίηση της απόδοσης και της εμβέλειας. Καμία από τις εξελίξεις στα ηλεκτρικά οχήματα, ωστόσο, δεν θα ήταν δυνατή χωρίς τις τεράστιες προόδους στα ηλεκτρονικά ισχύος στερεάς κατάστασης.
Μαγνητική έλξη
Οι μαγνήτες έχουν διανύσει πολύ δρόμο από τότε που ένας βοσκός στη Μαγνησία της Βόρειας Ελλάδας παρατήρησε τα καρφιά στο παπούτσι του και η μεταλλική άκρη του ραβδιού του ήταν κολλημένη γρήγορα σε έναν μαγνητικό βράχο (ή έτσι λέει ο θρύλος). Αυτοί οι "lodestones" χρησιμοποιήθηκαν για χιλιάδες χρόνια σε πυξίδες για να πλοηγηθούν, αλλά μόλις στις αρχές του 1800 ο Hans Christian Ørsted ανακάλυψε ότι ένα ηλεκτρικό ρεύμα μπορεί να επηρεάσει μια βελόνα πυξίδας.
Η πρώτη επίδειξη κινητήρα με περιστροφική κίνηση έγινε το 1821 όταν ο Michael Faraday βύθισε ένα ελεύθερα κρεμασμένο σύρμα σε μια λίμνη υδραργύρου, πάνω στην οποία τοποθετήθηκε ένα PM. Ο πρώτος ηλεκτροκινητήρας συνεχούς ρεύματος που μπορούσε να γυρίσει μηχανήματα αναπτύχθηκε από Βρετανό επιστήμονα Ουίλιαμ Στέρτζον το 1832. Οι Αμερικανοί εφευρέτες Τόμας και Έμιλυ Ντάβενπορτ κατασκεύασαν τον πρώτο πρακτικό ηλεκτρικό κινητήρα συνεχούς ρεύματος με μπαταρία την ίδια περίπου εποχή.
Αυτοί οι κινητήρες χρησιμοποιήθηκαν για τη λειτουργία εργαλειομηχανών και τυπογραφείου. Αλλά καθώς η ισχύς της μπαταρίας ήταν τόσο ακριβή, οι κινητήρες ήταν εμπορικά ανεπιτυχείς και τα Davenports κατέληξαν σε πτώχευση. Άλλοι εφευρέτες που προσπάθησαν να αναπτύξουν κινητήρες συνεχούς ρεύματος με μπαταρία, δυσκολεύτηκαν επίσης με το κόστος της πηγής ενέργειας. Τελικά, στη δεκαετία του 1880, η προσοχή στράφηκε στους κινητήρες AC, οι οποίοι εκμεταλλεύτηκαν το γεγονός ότι το AC μπορεί να σταλεί σε μεγάλες αποστάσεις σε υψηλή τάση.
Ο πρώτος «κινητήρας επαγωγής» εναλλασσόμενου ρεύματος εφευρέθηκε από τον Ιταλό φυσικό Galileo Ferraris το 1885, με το ηλεκτρικό ρεύμα να οδηγεί τον κινητήρα που λαμβάνεται με ηλεκτρομαγνητική επαγωγή από το μαγνητικό πεδίο της περιέλιξης του στάτορα. Η ομορφιά αυτής της συσκευής είναι ότι μπορεί να κατασκευαστεί χωρίς ηλεκτρικές συνδέσεις με τον ρότορα – μια εμπορική ευκαιρία που άδραξε ο Νίκολα Τέσλα. Έχοντας εφεύρει ανεξάρτητα τον δικό του κινητήρα επαγωγής το 1887, κατοχύρωσε με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας τον κινητήρα AC το επόμενο έτος.
Για πολλά χρόνια, ωστόσο, τα PMs είχαν πεδία όχι μεγαλύτερα από τον φυσικό μαγνητίτη (περίπου 0.005 Τ). Μόλις η ανάπτυξη του alnico (κράματα κυρίως αλουμινίου, νικελίου και κοβαλτίου) στη δεκαετία του 1930 έγινε δυνατή η πρακτική χρήση κινητήρων και γεννητριών PM DC. Στη δεκαετία του 1950 εμφανίστηκαν χαμηλού κόστους, φερρίτης (κεραμικά) PM, ακολουθούμενες στη δεκαετία του 1960 από μαγνήτες σαμαριού και κοβαλτίου, οι οποίοι ήταν και πάλι ισχυρότεροι.
Αλλά η πραγματική αλλαγή του παιχνιδιού συνέβη τη δεκαετία του 1980 με την εφεύρεση των PM νεοδυμίου, που περιέχουν νεοδύμιο, σίδηρο και βόριο. Αυτές τις μέρες, ο βαθμός N42 των PM νεοδυμίου έχει ισχύ περίπου 1.3 Τ, αν και δεν είναι η μόνη βασική μέτρηση όσον αφορά τη σχεδίαση μαγνητών και κινητήρα: η θερμοκρασία λειτουργίας είναι επίσης ζωτικής σημασίας.
Οι τιμές ορισμένων υλικών σπάνιων γαιών έχουν εκτοξευθεί στα ύψη, προκαλώντας τεράστιο όγκο έρευνας για νέες συνθέσεις μαγνητών.
Αυτό συμβαίνει επειδή η απόδοση των PM μειώνεται καθώς ζεσταίνονται και μόλις υπερβούν το "σημείο Curie" (περίπου 320 °C για μαγνήτες νεοδυμίου), απομαγνητίζονται εντελώς - καθιστώντας τον κινητήρα άχρηστο. Ένα άλλο σημαντικό πράγμα για όλους τους μαγνήτες σπάνιων γαιών, συμπεριλαμβανομένου του νεοδύμιου, του κοβαλτίου και του σαμάριου, είναι ότι έχουν υψηλή καταναγκαστική ικανότητα, που σημαίνει ότι δεν απομαγνητίζονται εύκολα όταν βρίσκονται σε λειτουργία. Για να φτιάξετε μαγνήτες με τον υψηλότερο καταναγκασμό και την καλύτερη απόδοση θερμοκρασίας χρειάζεστε επίσης μικρές ποσότητες άλλων βαριών σπάνιων γαιών όπως δυσπρόσιο, τέρβιο και πρασεοδύμιο.
Ζήτημα προσφοράς
Το πρόβλημα είναι ότι τα στοιχεία σπανίων γαιών είναι ελλιπή. Δεν είναι επειδή είναι εγγενώς σπάνια, το όνομά τους προέρχεται απλώς από τη θέση τους στον περιοδικό πίνακα. Σύμφωνα με πέρυσι έκθεση από Magnetics & Materials LLC, μέχρι το 2030 ο κόσμος θα χρειαστεί 55,000 περισσότερους τόνους μαγνητών νεοδυμίου από ό,τι είναι πιθανό να είναι διαθέσιμο, με το 40% της συνολικής ζήτησης να αναμένεται να προέρχεται από ηλεκτρικά οχήματα και το 11% από ανεμογεννήτριες.
Η Κίνα παράγει σήμερα το 90% όλων των μαγνητών νεοδυμίου στον κόσμο, γι' αυτό και οι ΗΠΑ, η ΕΕ και άλλοι προσπαθούν να αναπτύξουν τις δυνατότητές τους στην αλυσίδα εφοδιασμού για να μην βρεθούν σε μειονεκτική θέση. Οι τιμές ορισμένων υλικών σπάνιων γαιών έχουν εκτοξευθεί, προκαλώντας τεράστιο όγκο έρευνας για νέες συνθέσεις μαγνητών, ανακύκλωση υπαρχόντων μαγνητών και προηγμένους κινητήρες επαγωγής AC.
Από όποια πλευρά και να το δεις, θα χρειαστούμε πολλούς μαγνήτες αν θέλουμε να πράξουμε την οικονομία.
