آهن ربا، آهن ربا، آهن ربا: برای اقتصاد سبز به تعداد زیادی از آنها نیاز خواهیم داشت

من اخیراً برای شرکت در نیوکاسل بودم PEMD2022 - یازدهمین کنفرانس بین المللی الکترونیک قدرت، ماشین آلات و درایوها. چیزی که مرا شگفت زده کرد نه تنها بهبود عملکرد عظیمی بود که در موتورهای الکتریکی و ژنراتورها اتفاق افتاده است، بلکه تا چه حد باید پیش برویم تا حمل و نقل کاملاً بدون کربن باشد.

فروش جهانی خودروهای برقی (شامل خودروهای تمام باتری، پیل سوختی و هیبریدی پلاگین) در سال 2021 دو برابر شد و به 6.6 میلیون دستگاه رسید. آنها اکنون 5 تا 6 درصد از فروش وسایل نقلیه را به خود اختصاص داده اند، با توجه به اینکه هر هفته بیشتر از کل سال 2012 فروخته می شود. چشم انداز جهانی خودروهای الکتریکی 2022 گزارش.

هر وسیله نقلیه الکتریکی جدید حداقل به یک موتور الکتریکی با قدرت بالا نیاز دارد.

پیش‌بینی‌ها متفاوت است، اما به گفته شرکت تحقیقات بازار، انتظار می‌رود فروش سالانه تا سال 65 به 2030 میلیون وسیله نقلیه الکتریکی در جهان افزایش یابد. IHS Markit. در مقابل، فروش سالانه خودروهای با موتورهای احتراق داخلی از 68 میلیون دستگاه در سال 2021 به 38 میلیون دستگاه تا سال 2030 کاهش خواهد یافت.

آنچه واضح است این است که هر وسیله نقلیه الکتریکی جدید حداقل به یک موتور الکتریکی با قدرت بالا نیاز دارد. تقریباً همه (حدود 85٪) این وسایل نقلیه در حال حاضر از موتورهایی با آهنربای دائم (PMs) استفاده می کنند زیرا آنها کارآمدترین هستند (رکورد 98.8٪ است). تعداد کمی از موتورها و ژنراتورهای القایی جریان متناوب (AC) استفاده می کنند، اما آنها 4 تا 8٪ کارایی کمتری نسبت به موتورهای PM دارند، تا 60٪ سنگین تر و تا 70٪ بزرگتر.

با این حال، این موتورها و ژنراتورهای غیر PM برای مثال برای کامیون‌ها، کشتی‌ها و ژنراتورهای توربین بادی عالی هستند. آنها همچنین به راحتی قابل بازیافت هستند زیرا در اصل می توانند از یک ماده (مثلاً آلومینیوم) ساخته شوند و پس از پایان عمر خود ذوب شوند. برخی از شرکت‌ها، مانند تسلا موتورز، حتی رویکردهای PM و الکترومغناطیسی را در طرح‌های پیچیده‌تر برای بهینه‌سازی عملکرد و برد ترکیب می‌کنند. با این حال، هیچ یک از پیشرفت‌های خودروهای الکتریکی بدون پیشرفت‌های عظیم در الکترونیک قدرت حالت جامد امکان‌پذیر نخواهد بود.

جاذبه مغناطیسی

آهنرباها از زمانی که یک چوپان در مگنزیا در شمال یونان متوجه شد میخ های کفشش و نوک فلزی عصایش به سرعت به یک سنگ مغناطیسی چسبیده است (یا طبق افسانه ها) مسیر طولانی را طی کرده اند. این "لودستون" برای هزاران سال در قطب نما برای جهت یابی استفاده می شد، اما در اوایل دهه 1800 بود که هانس کریستین اورستد کشف کرد که یک جریان الکتریکی می تواند بر سوزن قطب نما تاثیر بگذارد.

اولین نمایش یک موتور با حرکت چرخشی در سال 1821 زمانی رخ داد که مایکل فارادی یک سیم آویزان آزاد را در حوضچه ای از جیوه فرو برد که روی آن یک PM قرار داده شده بود. اولین موتور الکتریکی DC که می توانست ماشین آلات را بچرخاند توسط دانشمند انگلیسی ساخته شد ویلیام استورجن در سال 1832. مخترعان آمریکایی توماس و امیلی داونپورت اولین موتور الکتریکی DC عملی با باتری را تقریباً در همان زمان ساختند.

از این موتورها برای راه اندازی ماشین ابزار و ماشین چاپ استفاده می شد. اما از آنجایی که انرژی باتری بسیار گران بود، موتورها از نظر تجاری ناموفق بودند و Davenports در نهایت ورشکست شد. مخترعان دیگری که سعی در توسعه موتورهای DC با باتری داشتند با هزینه منبع تغذیه نیز دست و پنجه نرم کردند. سرانجام، در دهه 1880، توجه به موتورهای AC معطوف شد، که از این واقعیت استفاده کردند که AC را می توان در مسافت های طولانی با ولتاژ بالا فرستاد.

اولین "موتور القایی" AC توسط فیزیکدان ایتالیایی گالیله فراریس در سال 1885 اختراع شد، با جریان الکتریکی برای به حرکت درآوردن موتور توسط القای الکترومغناطیسی از میدان مغناطیسی سیم پیچ استاتور. زیبایی این دستگاه این است که می توان آن را بدون هیچ گونه اتصال الکتریکی به روتور ساخت - فرصتی تجاری که نیکولا تسلا از آن استفاده کرد. او که به طور مستقل موتور القایی خود را در سال 1887 اختراع کرد، سال بعد موتور AC را به ثبت رساند.

با این حال، برای سال‌ها، PM ها میدان‌هایی بالاتر از مگنتیت طبیعی (حدود 0.005 T) نداشتند. توسعه آلنیکو (آلیاژهای عمدتاً آلومینیوم، نیکل و کبالت) در دهه 1930 بود که موتورها و ژنراتورهای PM DC عملاً مفید امکان پذیر شد. در دهه 1950 ذرات ذغال سنگ فریت (سرامیکی) ارزان قیمت ظاهر شد و در دهه 1960 آهنرباهای ساماریوم و کبالت که دوباره قوی تر شدند، ظاهر شدند.

اما تغییر واقعی بازی در دهه 1980 با اختراع PM های نئودیمیم که حاوی نئودیمیم، آهن و بور هستند رخ داد. این روزها، درجه N42 PM های نئودیمیم دارای قدرتی در حدود 1.3 T است، اگرچه این تنها معیار کلیدی در مورد طراحی آهنربا و موتور نیست: دمای عملیاتی نیز حیاتی است.

قیمت برخی از مواد خاکی کمیاب سر به فلک کشیده است و تحقیقات زیادی را در مورد ترکیبات آهنربایی جدید انجام داده است.

این به این دلیل است که عملکرد PM ها هنگام گرم شدن کاهش می یابد و هنگامی که از نقطه کوری بالاتر می روند (حدود 320 درجه سانتیگراد برای آهنرباهای نئودیمیوم)، کاملاً مغناطیسی زدایی می شوند - و موتور را بی استفاده می کنند. نکته مهم دیگر در مورد همه آهنرباهای خاکی کمیاب، از جمله نئودیمیم، کبالت و ساماریوم، این است که آنها قدرت اجباری بالایی دارند، به این معنی که در هنگام کار به راحتی مغناطیس زدایی نمی شوند. برای ساختن آهنرباهایی با بالاترین قدرت اجباری و بهترین عملکرد دما، به مقادیر کمی دیگر خاکهای کمیاب سنگین مانند دیسپروزیم، تربیوم و پراسئودیمیم نیز نیاز دارید.

یک سوال عرضه

مشکل اینجاست که عناصر خاکی کمیاب کمبود دارند. دلیلش این نیست که ذاتاً کمیاب هستند، نام آنها صرفاً از مکان آنها در جدول تناوبی می آید. بر اساس گزارش سال گذشته از Magnetics & Materials LLCتا سال 2030، جهان به 55,000 تن بیشتر از آنچه که احتمال می رود در دسترس باشد به آهنربای نئودیمیم نیاز خواهد داشت که انتظار می رود 40 درصد از کل تقاضا از خودروهای الکتریکی و 11 درصد از توربین های بادی تامین شود.

چین در حال حاضر 90 درصد از آهنرباهای نئودیمیوم جهان را تولید می کند، به همین دلیل است که ایالات متحده، اتحادیه اروپا و سایرین تلاش می کنند تا توانایی های خود را در زنجیره تامین توسعه دهند تا در معرض ضرر قرار نگیرند. قیمت برخی از مواد خاکی کمیاب به طور سرسام آوری افزایش یافته است و تحقیقات زیادی را در مورد ترکیبات آهنربایی جدید، بازیافت آهنرباهای موجود و موتورهای القایی AC پیشرفته انجام داده است.

از هر طرف که به آن نگاه کنید، اگر بخواهیم اقتصاد را سبز کنیم، به آهنرباهای زیادی نیاز خواهیم داشت.