Imanes, imanes, imanes: necesitaremos muchos para una economía verde

Hace poco estuve en Newcastle para asistir PEMD 2022 – la 11ª conferencia internacional sobre electrónica de potencia, máquinas y accionamientos. Lo que me llamó la atención no fueron sólo las enormes mejoras en el rendimiento que se han estado produciendo en los motores y generadores eléctricos, sino también hasta qué punto aún nos queda por recorrer para lograr que el transporte sea totalmente libre de carbono.

Las ventas mundiales de automóviles eléctricos (incluidos los híbridos enchufables, los de pila de combustible y los totalmente alimentados por baterías) se duplicaron en 2021 hasta alcanzar un máximo histórico de 6.6 millones. Actualmente representan entre el 5% y el 6% de las ventas de vehículos, y cada semana se venden más que en todo 2012, según el Perspectiva mundial de vehículos eléctricos 2022 reporte.

Cada vehículo eléctrico nuevo necesitará al menos un motor eléctrico de alta potencia.

Las proyecciones varían, pero se espera que las ventas anuales aumenten a 65 millones de vehículos eléctricos para 2030 en todo el mundo, según una firma de investigación de mercado. IHS Markit. Las ventas anuales de vehículos con motor de combustión interna, por el contrario, disminuirán de 68 millones de unidades en 2021 a 38 millones en 2030.

Lo que es obvio es que cada vehículo eléctrico nuevo necesitará al menos un motor eléctrico de alta potencia. Casi todos (alrededor del 85%) de estos vehículos utilizan actualmente motores de imanes permanentes (PM), por ser los más eficientes (el récord es del 98.8%). Algunos utilizan motores y generadores de inducción de corriente alterna (CA), pero son entre un 4% y un 8% menos eficientes que los motores PM, hasta un 60% más pesados ​​y hasta un 70% más grandes.

Aún así, estos motores y generadores que no son PM son perfectos para, digamos, camiones, barcos y generadores de turbinas eólicas. También son fáciles de reciclar, ya que, en principio, pueden estar hechos de un solo material (por ejemplo, aluminio) y luego fundirse cuando lleguen al final de su vida. Algunas empresas, como Tesla Motors, incluso están combinando los enfoques PM y electromagnético en diseños cada vez más complejos para optimizar el rendimiento y el alcance. Sin embargo, ninguno de los avances en los vehículos eléctricos sería posible sin los enormes avances en la electrónica de potencia de estado sólido.

Atracción magnética

Los imanes han recorrido un largo camino desde que un pastor en Magnesia, en el norte de Grecia, notó que los clavos de su zapato y la punta metálica de su bastón estaban pegados firmemente a una roca magnética (o eso dice la leyenda). Estas “piedras imán” se utilizaron durante miles de años en brújulas para navegar, pero no fue hasta principios del siglo XIX que Hans Christian Ørsted descubrió que una corriente eléctrica puede influir en la aguja de una brújula.

La primera demostración de un motor con movimiento giratorio ocurrió en 1821, cuando Michael Faraday sumergió un cable que colgaba libremente en un charco de mercurio, sobre el cual se colocó un PM. Un científico británico desarrolló el primer motor eléctrico de CC que podía hacer girar maquinaria William esturión en 1832. Los inventores estadounidenses Thomas y Emily Davenport construyeron el primer motor eléctrico de CC alimentado por batería aproximadamente al mismo tiempo.

Estos motores se utilizaban para hacer funcionar máquinas herramienta y una imprenta. Pero como la energía de la batería era tan cara, los motores no tuvieron éxito comercial y los Davenport terminaron en quiebra. Otros inventores que intentaron desarrollar motores de corriente continua alimentados por baterías también tuvieron problemas con el coste de la fuente de energía. Finalmente, en la década de 1880, la atención se centró en los motores de CA, que aprovechaban el hecho de que la CA podía enviarse a largas distancias con alto voltaje.

El primer “motor de inducción” de CA fue inventado por el físico italiano Galileo Ferraris en 1885, con la corriente eléctrica para impulsar el motor obtenida por inducción electromagnética del campo magnético del devanado del estator. La belleza de este dispositivo es que puede fabricarse sin ninguna conexión eléctrica al rotor, una oportunidad comercial que aprovechó Nikola Tesla. Habiendo inventado de forma independiente su propio motor de inducción en 1887, patentó el motor de CA al año siguiente.

Sin embargo, durante muchos años, las partículas no tenían campos superiores a los de la magnetita natural (alrededor de 0.005 T). No fue hasta el desarrollo del alnico (aleaciones compuestas principalmente de aluminio, níquel y cobalto) en la década de 1930 que los motores y generadores PM DC prácticamente útiles se convirtieron en una posibilidad. En la década de 1950 aparecieron los PM de ferrita (cerámica) de bajo costo, seguidos en la década de 1960 por los imanes de samario y cobalto, que volvieron a ser más fuertes.

Pero el verdadero cambio de juego se produjo en la década de 1980 con la invención de las PM de neodimio, que contienen neodimio, hierro y boro. Hoy en día, el grado N42 de las PM de neodimio tiene una resistencia de aproximadamente 1.3 T, aunque esa no es la única métrica clave cuando se trata del diseño de imanes y motores: la temperatura de funcionamiento también es vital.

Los precios de algunos materiales de tierras raras se han disparado, lo que ha provocado una gran cantidad de investigaciones sobre nuevas composiciones de imanes.

Esto se debe a que el rendimiento de los PM disminuye a medida que se calientan y una vez que superan el “punto Curie” (aproximadamente 320 °C para los imanes de neodimio), se desmagnetizan por completo, inutilizando el motor. Otra cosa importante acerca de todos los imanes de tierras raras, incluidos los de neodimio, cobalto y samario, es que tienen una alta coercitividad, lo que significa que no se desmagnetizan fácilmente cuando están en funcionamiento. Para fabricar imanes con la mayor coercitividad y el mejor rendimiento de temperatura, también se necesitan pequeñas cantidades de otras tierras raras pesadas, como disprosio, terbio y praseodimio.

Una cuestión de suministro

El problema es que los elementos de tierras raras son escasos. No es que sean intrínsecamente raros, su nombre simplemente proviene de su ubicación en la tabla periódica. Según un informe del año pasado de Magnética y Materiales LLC, para 2030 el mundo necesitará 55,000 toneladas más de imanes de neodimio de las que probablemente estarán disponibles, y se espera que el 40% de la demanda total provenga de vehículos eléctricos y el 11% de turbinas eólicas.

Actualmente, China fabrica el 90% de todos los imanes de neodimio del mundo, razón por la cual Estados Unidos, la UE y otros están tratando de desarrollar sus capacidades en la cadena de suministro para no quedar en desventaja. Los precios de algunos materiales de tierras raras se han disparado, lo que ha provocado una gran cantidad de investigaciones sobre nuevas composiciones de imanes, el reciclaje de imanes existentes y motores de inducción de CA avanzados.

Se mire como se mire, vamos a necesitar muchos imanes si queremos que la economía sea ecológica.