Ímãs, ímãs, ímãs: vamos precisar de muitos deles para uma economia verde

Estive recentemente em Newcastle para participar PEMD 2022 – a 11ª conferência internacional sobre eletrônica de potência, máquinas e acionamentos. O que me impressionou não foram apenas as enormes melhorias de desempenho que têm acontecido nos motores e geradores eléctricos, mas também até onde ainda temos que ir para tornar o transporte totalmente livre de carbono.

As vendas globais de carros elétricos (incluindo híbridos totalmente alimentados por bateria, células de combustível e plug-in) duplicaram em 2021, atingindo um máximo histórico de 6.6 milhões. Eles agora representam 5% a 6% das vendas de veículos, sendo vendidos mais a cada semana do que em todo o ano de 2012, de acordo com o Perspectiva Global de Veículos Elétricos 2022 Denunciar.

Cada novo veículo elétrico precisará de pelo menos um motor elétrico de alta potência.

As projeções variam, mas espera-se que as vendas anuais aumentem para 65 milhões de veículos elétricos até 2030 em todo o mundo, de acordo com uma empresa de pesquisa de mercado IHS Markit. As vendas anuais de veículos com motores de combustão interna, por outro lado, diminuirão de 68 milhões de unidades em 2021 para 38 milhões em 2030.

O que é óbvio é que cada novo veículo eléctrico necessitará de pelo menos um motor eléctrico de alta potência. Quase todos (cerca de 85%) destes veículos utilizam atualmente motores com ímanes permanentes (PMs) por serem os mais eficientes (o registo é de 98.8%). Alguns usam motores e geradores de indução de corrente alternada (CA), mas são 4–8% menos eficientes que os motores PM, até 60% mais pesados ​​e até 70% maiores.

Ainda assim, estes motores e geradores não PM são perfeitos para, por exemplo, camiões, navios e geradores de turbinas eólicas. São também fáceis de reciclar, pois podem, em princípio, ser feitos de um único material (por exemplo, alumínio) e depois derretidos quando chegam ao fim da sua vida útil. Algumas empresas, como a Tesla Motors, estão até a combinar as abordagens PM e eletromagnética em projetos cada vez mais complexos para otimizar o desempenho e o alcance. Contudo, nenhum dos avanços nos veículos eléctricos seria possível sem os enormes avanços na electrónica de potência de estado sólido.

Atração magnética

Os ímãs já percorreram um longo caminho desde que um pastor em Magnésia, no norte da Grécia, percebeu que os pregos de seu sapato e a ponta de metal de seu cajado estavam presos a uma rocha magnética (ou assim diz a lenda). Essas “pedras magnéticas” foram usadas durante milhares de anos em bússolas para navegar, mas foi somente no início de 1800 que Hans Christian Ørsted descobriu que uma corrente elétrica pode influenciar a agulha de uma bússola.

A primeira demonstração de um motor com movimento rotativo ocorreu em 1821, quando Michael Faraday mergulhou um fio pendurado em uma piscina de mercúrio, sobre a qual foi colocado um PM. O primeiro motor elétrico DC capaz de girar máquinas foi desenvolvido por um cientista britânico William Esturjão em 1832. Os inventores norte-americanos Thomas e Emily Davenport construíram o primeiro motor elétrico CC prático alimentado por bateria quase ao mesmo tempo.

Esses motores eram usados ​​para operar máquinas-ferramentas e uma impressora. Mas como a bateria era muito cara, os motores não tiveram sucesso comercial e os Davenports acabaram falidos. Outros inventores que tentaram desenvolver motores CC alimentados por bateria também enfrentaram problemas com o custo da fonte de energia. Eventualmente, na década de 1880, a atenção se voltou para os motores CA, que aproveitaram o fato de que a CA pode ser enviada por longas distâncias em alta tensão.

O primeiro “motor de indução” CA foi inventado pelo físico italiano Galileo Ferraris em 1885, sendo a corrente elétrica para acionar o motor obtida por indução eletromagnética a partir do campo magnético do enrolamento do estator. A beleza deste dispositivo é que ele pode ser fabricado sem quaisquer conexões elétricas ao rotor – uma oportunidade comercial aproveitada por Nikola Tesla. Tendo inventado de forma independente seu próprio motor de indução em 1887, ele patenteou o motor CA no ano seguinte.

Durante muitos anos, porém, os PMs tiveram campos não superiores aos da magnetita natural (cerca de 0.005 T). Somente com o desenvolvimento do alnico (ligas principalmente de alumínio, níquel e cobalto) na década de 1930 é que motores e geradores PM DC praticamente úteis se tornaram uma possibilidade. Na década de 1950 surgiram PMs de ferrite (cerâmica) de baixo custo, seguidos na década de 1960 pelos ímãs de samário e cobalto, que eram novamente mais fortes.

Mas a verdadeira mudança de jogo ocorreu na década de 1980 com a invenção dos PMs de neodímio, que contêm neodímio, ferro e boro. Hoje em dia, o grau N42 de PMs de neodímio tem uma resistência de cerca de 1.3 T, embora essa não seja a única métrica importante quando se trata de design de ímã e motor: a temperatura operacional também é vital.

Os preços de alguns materiais de terras raras dispararam, o que levou a uma enorme quantidade de pesquisas sobre novas composições magnéticas.

Isso ocorre porque o desempenho dos PMs cai à medida que aquecem e quando ultrapassam o “ponto Curie” (cerca de 320 °C para ímãs de neodímio), eles se desmagnetizam completamente – inutilizando o motor. Outra coisa importante sobre todos os ímãs de terras raras, incluindo neodímio, cobalto e samário, é que eles têm alta coercividade, o que significa que não desmagnetizam facilmente quando em operação. Para fazer ímãs com maior coercividade e melhor desempenho de temperatura, você também precisa de pequenas quantidades de outras terras raras pesadas, como disprósio, térbio e praseodímio.

Uma questão de abastecimento

O problema é que os elementos de terras raras são escassos. Não é porque sejam intrinsecamente raros, seu nome simplesmente vem de sua localização na tabela periódica. De acordo com um relatório do ano passado da Magnética e Materiais LLC, até 2030, o mundo necessitará de mais 55,000 40 toneladas de ímanes de neodímio do que provavelmente estarão disponíveis, prevendo-se que 11% da procura total venha de veículos eléctricos e XNUMX% de turbinas eólicas.

A China fabrica actualmente 90% de todos os ímanes de neodímio do mundo, razão pela qual os EUA, a UE e outros estão todos a tentar desenvolver as suas capacidades na cadeia de abastecimento para não ficarem em desvantagem. Os preços de alguns materiais de terras raras dispararam, o que levou a uma enorme quantidade de pesquisas sobre novas composições magnéticas, reciclagem de ímãs existentes e motores de indução CA avançados.

Seja como for, precisaremos de muitos ímãs se quisermos tornar a economia mais verde.