מגנטים, מגנטים, מגנטים: נצטרך הרבה מהם לכלכלה ירוקה

לאחרונה הייתי בניוקאסל כדי להשתתף PEMD2022 - הכנס הבינלאומי ה-11 בנושא אלקטרוניקה, מכונות וכוננים. מה שהדהים אותי היה לא רק שיפורי הביצועים העצומים שחלו במנועים חשמליים ובגנרטורים אלא גם כמה רחוק אנחנו עדיין צריכים ללכת כדי להפוך את התחבורה ללא פחמן לחלוטין.

המכירות העולמיות של מכוניות חשמליות (כולל סוללות מלאות, תאי דלק והיברידיות פלאג-אין) הוכפלו ב-2021 לשיא כל הזמנים של 6.6 מיליון. הם מהווים כעת 5-6% ממכירות הרכב, כאשר יותר נמכרים בכל שבוע מאשר בכל שנת 2012, על פי Global Vehicle Outlook 2022 לדווח.

כל רכב חשמלי חדש יצטרך לפחות מנוע חשמלי אחד בעל הספק גבוה.

התחזיות משתנות, אך המכירות השנתיות צפויות לגדול ל-65 מיליון כלי רכב חשמליים עד 2030 ברחבי העולם, על פי חברת מחקרי שוק IHS Markit. המכירות השנתיות של כלי רכב עם מנועי בעירה פנימית, לעומת זאת, תרד מ-68 מיליון יחידות ב-2021 ל-38 מיליון ב-2030.

מה שברור הוא שכל רכב חשמלי חדש יצטרך לפחות מנוע חשמלי אחד בעל הספק גבוה. כמעט כל (כ-85%) מכלי הרכב הללו משתמשים כיום במנועים עם מגנט קבוע (PMs) שכן הם היעילים ביותר (השיא הוא 98.8%). מעטים משתמשים במנועי אינדוקציה וגנרטורים של זרם חילופין (AC), אבל הם 4-8% פחות יעילים ממנועי PM, כבדים עד 60% ועד 70% גדולים יותר.

ובכל זאת, המנועים והגנרטורים שאינם PM הם מושלמים עבור, למשל, משאיות, ספינות ומחוללי טורבינות רוח. הם גם קלים למיחזור שכן הם יכולים, באופן עקרוני, להיות עשויים מחומר אחד (נגיד אלומיניום) ואז להתמוסס כשהם מגיעים לסוף חייהם. כמה חברות, כמו טסלה מוטורס, אפילו משלבות את גישות ה-PM והאלקטרומגנטיות בעיצובים מורכבים יותר ויותר כדי לייעל את הביצועים והטווח. עם זאת, אף אחת מההתקדמות בכלי רכב חשמליים לא הייתה אפשרית ללא ההתקדמות העצומה בתחום האלקטרוניקה הכוחנית של מצב מוצק.

משיכה מגנטית

מגנטים עשו כברת דרך מאז שרועה צאן במגנזיה שבצפון יוון הבחין במסמרים בנעל שלו וקצה המתכת של המטה שלו דבוק במהירות לסלע מגנטי (או לפחות כך מספרת האגדה). "אבני האדמה" הללו שימשו במשך אלפי שנים במצפנים כדי לנווט, אך רק בתחילת המאה ה-1800 גילה הנס כריסטיאן אורסטד שזרם חשמלי יכול להשפיע על מחט מצפן.

ההדגמה הראשונה של מנוע עם תנועה סיבובית התרחשה בשנת 1821 כאשר מייקל פאראדיי טבל חוט תלוי חופשי בבריכה של כספית, שעליה הונח PM. המנוע החשמלי DC הראשון שיכול להפוך מכונות פותח על ידי מדען בריטי וויליאם סטרג'ון בשנת 1832. ממציאי ארה"ב תומס ואמילי דבנפורט בנו את המנוע החשמלי הראשון המופעל באמצעות סוללות בערך באותו זמן.

מנועים אלה שימשו להפעלת מכונות ומכונות דפוס. אבל מכיוון שכוח הסוללה היה כל כך יקר, המנועים לא היו מוצלחים מבחינה מסחרית, וה-Davenports בסופו של דבר פשטו רגל. ממציאים אחרים שניסו לפתח מנועי DC המונעים על ידי סוללות נאבקו גם הם עם העלות של מקור הכוח. בסופו של דבר, בשנות ה-1880 של המאה ה-XNUMX, תשומת הלב הופנתה למנועי AC, שניצלו את העובדה שניתן לשלוח AC למרחקים ארוכים במתח גבוה.

"מנוע האינדוקציה" הראשון של AC הומצא על ידי הפיזיקאי האיטלקי גלילאו פראריס בשנת 1885, עם הזרם החשמלי להנעת המנוע המתקבל על ידי אינדוקציה אלקטרומגנטית מהשדה המגנטי של פיתול הסטטור. היופי במכשיר הזה הוא שניתן ליצור אותו ללא חיבורים חשמליים לרוטור - הזדמנות מסחרית שניצל ניקולה טסלה. לאחר שהמציא באופן עצמאי את מנוע האינדוקציה שלו ב-1887, הוא רשם פטנט על מנוע ה-AC בשנה שלאחר מכן.

עם זאת, במשך שנים רבות, ל-PMs היו שדות שאינם גבוהים ממגנטיט המופיע באופן טבעי (כ-0.005 T). רק עם הפיתוח של אלניקו (סגסוגות של אלומיניום, ניקל וקובלט בעיקר) בשנות ה-1930 של המאה ה-1950 הפכו מנועים וגנרטורים PM DC שימושיים למעשה. בשנות ה-1960 של המאה ה-XNUMX הופיעו PMs פריט (קרמי) בעלות נמוכה, ואחריהם בשנות ה-XNUMX של המאה ה-XNUMX גם מגנטים של סמריום וקובלט, שחזרו להיות חזקים יותר.

אבל מחליף המשחק האמיתי התרחש בשנות ה-1980 עם המצאת PMs ניאודימיום, המכילים ניאודימיום, ברזל ובורון. בימינו, לדרגת ה-N42 של PMs ניאודימיום יש חוזק של כ-1.3 T, אם כי זה לא מדד המפתח היחיד בכל הנוגע לעיצוב מגנט ומנוע: גם טמפרטורת הפעולה חיונית.

המחירים של כמה חומרי אדמה נדירים זינקו, מה שגרם לכמות עצומה של מחקר על קומפוזיציות מגנטים חדשות.

הסיבה לכך היא שהביצועים של PMs יורדים כשהם מתחממים וברגע שהם עולים מעל "נקודת הקורי" (כ-320 מעלות צלזיוס עבור מגנטים ניאודימיום), הם מבטלים לחלוטין - מה שהופך את המנוע לחסר תועלת. דבר חשוב נוסף לגבי כל מגנטי אדמה נדירים, כולל ניאודימיום, קובלט וסמריום, הוא שיש להם כושר כפייה גבוה, כלומר הם לא מתמגנטים בקלות בזמן פעולה. כדי ליצור מגנטים בכפייה הגבוהה ביותר וביצועי הטמפרטורה הטובים ביותר, אתה צריך גם כמויות קטנות של כדורי אדמה נדירים כבדים אחרים כגון דיספרוזיום, טרביום ופראזודימיום.

שאלה של היצע

הבעיה היא שמרכיבי אדמה נדירים הם במחסור. זה לא בגלל שהם נדירים מטבעם, השם שלהם פשוט מגיע מהמיקום שלהם בטבלה המחזורית. על פי דיווח בשנה שעברה מ Magnetics & Materials LLC, עד 2030 העולם יזדקק ל-55,000 טונות יותר של מגנטים ניאודימיום ממה שסביר שיהיה זמין, כאשר 40% מהביקוש הכולל צפוי להגיע מכלי רכב חשמליים ו-11% מטורבינות רוח.

סין מייצרת כיום 90% מכל מגנטי הנאודימיום בעולם, וזו הסיבה שארה"ב, האיחוד האירופי ואחרים כולם מנסים לפתח את היכולות שלהם בשרשרת האספקה ​​כדי לא להיות מקופחת. המחירים של כמה חומרי אדמה נדירים זינקו, מה שגרם לכמות עצומה של מחקר על קומפוזיציות מגנטים חדשות, מיחזור של מגנטים קיימים ומנועי אינדוקציה AC מתקדמים.

איך שלא תסתכלו על זה, נצטרך הרבה מגנטים אם אנחנו רוצים להאיר את הכלכלה.