James McKenzie realizează că vom avea nevoie de mulți magneți dacă vrem să transformăm economia în verde
Am fost recent la Newcastle pentru a participa PEMD2022 – a 11-a conferință internațională privind electronica de putere, mașini și unități. Ceea ce m-a frapat nu au fost doar îmbunătățirile uriașe de performanță care au avut loc la motoarele și generatoarele electrice, ci cât de departe mai avem de mers pentru a face transportul complet fără carbon.
Vânzările globale de mașini electrice (inclusiv alimentate integral cu baterii, pile de combustie și hibride plug-in) s-au dublat în 2021, până la un maxim istoric de 6.6 milioane. Ele reprezintă acum 5–6% din vânzările de vehicule, fiind vândute mai multe în fiecare săptămână decât în întregul an 2012, potrivit Global Electric Vehicle Outlook 2022 raportează.
Fiecare vehicul electric nou va avea nevoie de cel puțin un motor electric de mare putere.
Proiecțiile variază, dar se preconizează că vânzările anuale vor crește la 65 de milioane de vehicule electrice până în 2030 la nivel global, potrivit companiei de cercetare de piață. IHS Markit. Vânzările anuale de vehicule cu motoare cu ardere internă, în schimb, vor scădea de la 68 de milioane de unități în 2021 la 38 de milioane până în 2030.
Ceea ce este evident este că fiecare vehicul electric nou va avea nevoie de cel puțin un motor electric de mare putere. Aproape toate (aproximativ 85%) dintre aceste vehicule folosesc în prezent motoare cu magnet permanent (PM), deoarece acestea sunt cele mai eficiente (recordul este de 98.8%). Câțiva folosesc motoare și generatoare cu inducție cu curent alternativ (AC), dar sunt cu 4–8% mai puțin eficiente decât motoarele PM, cu până la 60% mai grele și cu până la 70% mai mari.
Ar putea acest avion revoluționar să devină verde călătoriile aeriene?
Cu toate acestea, aceste motoare și generatoare non-PM sunt perfecte pentru, de exemplu, camioane, nave și generatoare de turbine eoliene. De asemenea, sunt ușor de reciclat, deoarece pot fi, în principiu, fabricate dintr-un singur material (să zicem aluminiu) și apoi topite când ajung la sfârșitul vieții. Unele firme, cum ar fi Tesla Motors, combină chiar abordările PM și electromagnetice în proiecte din ce în ce mai complexe pentru a optimiza performanța și raza de acțiune. Niciunul dintre progresele vehiculelor electrice nu ar fi, totuși, posibil fără progresele uriașe ale electronicii de putere cu stare solidă.
Atracție magnetică
Magneții au parcurs un drum lung de când un cioban din Magnesia din nordul Greciei a observat că cuiele din pantof și vârful de metal al toiagului său erau lipite rapid de o piatră magnetică (sau așa spune legenda). Aceste „pietre metalice” au fost folosite de mii de ani în busole pentru a naviga, dar abia la începutul anilor 1800 Hans Christian Ørsted a descoperit că un curent electric poate influența un ac de busole.
Prima demonstrație a unui motor cu mișcare rotativă a avut loc în 1821, când Michael Faraday a scufundat un fir care atârnă liber într-un bazin de mercur, pe care a fost plasat un PM. Primul motor electric de curent continuu care ar putea întoarce mașinile a fost dezvoltat de un om de știință britanic William Sturgeon în 1832. Inventatorii americani Thomas și Emily Davenport au construit primul motor electric de curent continuu alimentat de baterii, aproximativ în același timp.
Aceste motoare au fost folosite pentru a rula mașini-unelte și o mașină de tipar. Dar, deoarece energia bateriei era atât de scumpă, motoarele nu au avut succes comercial, iar Davenport-urile au ajuns în faliment. Alți inventatori care au încercat să dezvolte motoare de curent continuu alimentate cu baterii s-au luptat și cu costul sursei de energie. În cele din urmă, în anii 1880, atenția s-a îndreptat către motoarele de curent alternativ, care au profitat de faptul că curent alternativ poate fi trimis pe distanțe mari la tensiune înaltă.
Primul „motor de inducție” cu curent alternativ a fost inventat de fizicianul italian Galileo Ferraris în 1885, cu curentul electric pentru a antrena motorul obținut prin inducție electromagnetică din câmpul magnetic al înfășurării statorului. Frumusețea acestui dispozitiv este că poate fi realizat fără nicio conexiune electrică la rotor - o oportunitate comercială valorificată de Nikola Tesla. După ce și-a inventat în mod independent propriul motor cu inducție în 1887, el a brevetat motorul cu curent alternativ în anul următor.
Timp de mulți ani, totuși, PM-urile au avut câmpuri nu mai mari decât magnetitul natural (aproximativ 0.005 T). Abia după dezvoltarea alnico-ului (aliaje în principal aluminiu, nichel și cobalt) în anii 1930, motoarele și generatoarele PM DC utile au devenit o posibilitate. În anii 1950 au apărut PM-urile de ferită (ceramice), cu costuri reduse, urmate în anii 1960 de magneții de samariu și cobalt, care au fost din nou mai puternici.
Dar adevărata schimbare a jocului a avut loc în anii 1980 odată cu inventarea PM-urilor de neodim, care conțin neodim, fier și bor. În zilele noastre, clasa N42 a PM-urilor din neodim are o rezistență de aproximativ 1.3 T, deși aceasta nu este singura măsură cheie atunci când vine vorba de designul magnetului și al motorului: temperatura de funcționare este de asemenea vitală.
Prețurile unor materiale din pământuri rare au crescut vertiginos, determinând o cantitate uriașă de cercetări asupra noilor compoziții de magneti.
Acest lucru se datorează faptului că performanța PM scade pe măsură ce se încălzesc și odată ce trec peste „punctul Curie” (aproximativ 320 °C pentru magneții de neodim), se demagnetizează complet – făcând motorul inutil. Un alt lucru important despre toți magneții din pământuri rare, inclusiv neodim, cobalt și samariu, este că au o coercivitate ridicată, ceea ce înseamnă că nu se demagnetizează ușor atunci când sunt în funcțiune. Pentru a face magneți cu cea mai mare coercibilitate și cea mai bună performanță la temperatură, aveți nevoie și de cantități mici de alte pământuri rare grele, cum ar fi disproziu, terbiu și praseodimiu.
O chestiune de aprovizionare
Problema este că elementele din pământuri rare sunt insuficiente. Nu pentru că sunt intrinsec rare, numele lor vine pur și simplu de la locația lor în tabelul periodic. Potrivit unui raport de anul trecut de la Magnetics & Materials LLC, până în 2030 lumea va avea nevoie de 55,000 de tone de magneți de neodim în plus decât este probabil disponibil, cu 40% din cererea totală estimată să provină de la vehicule electrice și 11% de la turbinele eoliene.
China produce în prezent 90% din toți magneții de neodim din lume, motiv pentru care SUA, UE și altele încearcă să-și dezvolte capacitățile în lanțul de aprovizionare pentru a nu fi dezavantajate. Prețurile unor materiale din pământuri rare au crescut vertiginos, determinând o cantitate uriașă de cercetări asupra compozițiilor de magneti noi, reciclarea magneților existenți și a motoarelor cu inducție AC avansate.
Indiferent de felul în care priviți, vom avea nevoie de mulți magneți dacă vrem să ecologăm economia.
