เจมส์ แมคเคนซี่ ตระหนักดีว่าเราต้องการแม่เหล็กจำนวนมากหากต้องการเปลี่ยนเศรษฐกิจให้เป็นสีเขียว
เมื่อเร็ว ๆ นี้ฉันอยู่ที่นิวคาสเซิลเพื่อเข้าร่วม พีเอ็มดี2022 – การประชุมนานาชาติด้านอิเล็กทรอนิกส์กำลัง เครื่องจักร และไดรฟ์ ครั้งที่ 11 สิ่งที่ทำให้ฉันประทับใจไม่ใช่แค่การปรับปรุงประสิทธิภาพครั้งใหญ่ที่เกิดขึ้นในมอเตอร์ไฟฟ้าและเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเท่านั้น แต่เรายังต้องทำอีกไกลแค่ไหนเพื่อให้การขนส่งปลอดคาร์บอนอย่างสมบูรณ์
ยอดขายรถยนต์ไฟฟ้าทั่วโลก (รวมถึงแบตเตอรี่ขับเคลื่อนเต็มรูปแบบ เซลล์เชื้อเพลิง และปลั๊กอินไฮบริด) เพิ่มขึ้นสองเท่าในปี 2021 สู่ระดับสูงสุดเป็นประวัติการณ์ที่ 6.6 ล้านคัน ตอนนี้พวกเขาคิดเป็น 5–6% ของยอดขายรถยนต์ โดยมียอดขายในแต่ละสัปดาห์มากกว่าทั้งปี 2012 ตามข้อมูลของ แนวโน้มรถยนต์ไฟฟ้าทั่วโลกปี 2022 รายงาน.
รถยนต์ไฟฟ้าใหม่แต่ละคันจะต้องมีมอเตอร์ไฟฟ้ากำลังสูงอย่างน้อยหนึ่งตัว
การคาดการณ์แตกต่างกันไป แต่ยอดขายต่อปีคาดว่าจะเพิ่มขึ้นเป็น 65 ล้านคันทั่วโลกภายในปี 2030 ตามรายงานของ บริษัท วิจัยตลาด ไอเอชเอ Markit. ในทางกลับกัน ยอดขายรถยนต์ต่อปีที่มีเครื่องยนต์สันดาปภายในจะลดลงจาก 68 ล้านคันในปี 2021 เป็น 38 ล้านคันในปี 2030
สิ่งที่เห็นได้ชัดคือรถยนต์ไฟฟ้ารุ่นใหม่แต่ละคันจะต้องมีมอเตอร์ไฟฟ้ากำลังสูงอย่างน้อยหนึ่งตัว ยานพาหนะเกือบทั้งหมด (ประมาณ 85%) ในปัจจุบันใช้มอเตอร์ที่มีแม่เหล็กถาวร (PMs) เนื่องจากมีประสิทธิภาพสูงสุด (สถิติคือ 98.8%) มอเตอร์เหนี่ยวนำและเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) บางตัวใช้ แต่มีประสิทธิภาพน้อยกว่ามอเตอร์ PM ถึง 4–8% หนักกว่าถึง 60% และใหญ่กว่าถึง 70%
เครื่องบินปฏิวัตินี้สามารถเปลี่ยนการเดินทางทางอากาศเป็นสีเขียวได้หรือไม่?
ถึงกระนั้น มอเตอร์และเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบไม่ใช้ PM เหล่านี้ยังเหมาะอย่างยิ่งสำหรับรถบรรทุก เรือ และเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากังหันลม พวกมันยังรีไซเคิลได้ง่าย โดยหลักการแล้ว พวกมันทำจากวัสดุชนิดเดียว (เช่น อะลูมิเนียม) แล้วหลอมละลายเมื่อหมดอายุการใช้งาน บริษัทบางแห่ง เช่น เทสลา มอเตอร์ กำลังรวมวิธี PM และแม่เหล็กไฟฟ้าเข้าด้วยกันในการออกแบบที่ซับซ้อนมากขึ้นเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและระยะการทำงาน อย่างไรก็ตาม ความก้าวหน้าในยานยนต์ไฟฟ้าจะไม่เกิดขึ้นเลยหากปราศจากความก้าวหน้าอย่างมากในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์พลังงานโซลิดสเตต
แรงดึงดูดแม่เหล็ก
แม่เหล็กมีพัฒนาการมาไกลตั้งแต่คนเลี้ยงแกะในเมือง Magnesia ทางตอนเหนือของกรีซสังเกตเห็นตะปูในรองเท้าของเขาและปลายไม้เท้าโลหะติดแน่นกับหินแม่เหล็ก (หรือตามตำนานกล่าวไว้) “หินโลดสโตน” เหล่านี้ถูกใช้เป็นเข็มทิศมานับพันปีเพื่อนำทาง แต่ฮันส์ คริสเตียน เออสเต็ดค้นพบว่ากระแสไฟฟ้าสามารถมีอิทธิพลต่อเข็มของเข็มทิศจนกระทั่งต้นทศวรรษ 1800 จนกระทั่งต้นทศวรรษ XNUMX
การสาธิตครั้งแรกของมอเตอร์ที่มีการเคลื่อนที่แบบหมุนเกิดขึ้นในปี พ.ศ. 1821 เมื่อไมเคิล ฟาราเดย์จุ่มลวดที่แขวนไว้อย่างอิสระลงในแอ่งปรอทซึ่งมี PM อยู่ มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงตัวแรกที่สามารถเปลี่ยนเครื่องจักรได้รับการพัฒนาโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ วิลเลียมสเตอร์เจียน ในปี พ.ศ. 1832 โทมัสและเอมิลี่ ดาเวนพอร์ต นักประดิษฐ์ชาวสหรัฐฯ ได้สร้างมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงที่ใช้แบตเตอรี่ที่ใช้งานได้จริงเครื่องแรกในเวลาเดียวกัน
มอเตอร์เหล่านี้ถูกใช้เพื่อขับเคลื่อนเครื่องจักรและแท่นพิมพ์ แต่เนื่องจากพลังงานแบตเตอรี่มีราคาแพงมาก มอเตอร์จึงไม่ประสบความสำเร็จในเชิงพาณิชย์ และ Davenports จบลงด้วยการล้มละลาย นักประดิษฐ์รายอื่นที่พยายามพัฒนามอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงแบบใช้แบตเตอรี่ก็ต้องดิ้นรนกับต้นทุนของแหล่งพลังงานเช่นกัน ในที่สุด ในทศวรรษที่ 1880 ความสนใจก็หันไปที่มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ ซึ่งใช้ประโยชน์จากข้อเท็จจริงที่ว่าไฟฟ้ากระแสสลับสามารถส่งได้ในระยะทางไกลด้วยไฟฟ้าแรงสูง
“มอเตอร์เหนี่ยวนำไฟฟ้ากระแสสลับ” ตัวแรกถูกประดิษฐ์ขึ้นโดยนักฟิสิกส์ชาวอิตาลี กาลิเลโอ เฟอร์รารีส ในปี พ.ศ. 1885 โดยใช้กระแสไฟฟ้าในการขับเคลื่อนมอเตอร์ที่ได้จากการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าจากสนามแม่เหล็กของขดลวดสเตเตอร์ ข้อดีของอุปกรณ์นี้คือสามารถผลิตได้โดยไม่ต้องเชื่อมต่อไฟฟ้าใดๆ กับโรเตอร์ ซึ่งเป็นโอกาสทางการค้าที่นิโคลา เทสลาคว้าไว้ หลังจากประดิษฐ์มอเตอร์เหนี่ยวนำด้วยตัวเองในปี พ.ศ. 1887 เขาได้จดสิทธิบัตรมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับในปีต่อมา
เป็นเวลาหลายปีที่ PMs มีสนามแม่เหล็กไม่สูงไปกว่าแมกนีไทต์ที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ (ประมาณ 0.005 T) จนกระทั่งมีการพัฒนาอัลนิโก (โลหะผสมของอะลูมิเนียม นิกเกิล และโคบอลต์เป็นส่วนใหญ่) ในช่วงทศวรรษที่ 1930 มอเตอร์และเครื่องกำเนิดไฟฟ้า PM DC ที่มีประโยชน์ในทางปฏิบัติจึงกลายเป็นสิ่งที่เป็นไปได้ ในช่วงปี 1950 PMs เฟอร์ไรต์ (เซรามิก) ราคาถูกปรากฏขึ้น ตามมาในปี 1960 โดยแม่เหล็กซาแมเรียมและโคบอลต์ซึ่งแข็งแกร่งขึ้นอีกครั้ง
แต่จุดเปลี่ยนที่แท้จริงเกิดขึ้นในช่วงปี 1980 ด้วยการประดิษฐ์ PMs นีโอไดเมียม ซึ่งมีนีโอไดเมียม เหล็ก และโบรอน ทุกวันนี้ PMs นีโอไดเมียมเกรด N42 มีความแข็งแกร่งประมาณ 1.3 T แม้ว่านั่นจะไม่ใช่เมตริกหลักเพียงอย่างเดียวเมื่อพูดถึงการออกแบบแม่เหล็กและมอเตอร์ อุณหภูมิในการทำงานก็มีความสำคัญเช่นกัน
ราคาของวัสดุธาตุหายากบางชนิดพุ่งสูงขึ้น ทำให้มีการวิจัยจำนวนมากเกี่ยวกับองค์ประกอบของแม่เหล็กชนิดใหม่
นั่นเป็นเพราะประสิทธิภาพของ PMs ลดลงเมื่ออุ่นเครื่องและเมื่ออยู่เหนือ "จุด Curie" (ประมาณ 320 °C สำหรับแม่เหล็กนีโอไดเมียม) พวกมันจะลดอำนาจแม่เหล็กลงอย่างสมบูรณ์ ซึ่งทำให้มอเตอร์ไร้ประโยชน์ สิ่งสำคัญอีกประการเกี่ยวกับแม่เหล็กหายากทั้งหมด รวมถึงนีโอไดเมียม โคบอลต์ และซาแมเรียม คือพวกมันมีแรงบีบบังคับสูง ซึ่งหมายความว่าพวกมันจะไม่ลดอำนาจแม่เหล็กลงง่ายๆ เมื่อใช้งาน ในการสร้างแม่เหล็กที่มีค่า coercivity สูงสุดและอุณหภูมิที่ดีที่สุด คุณยังต้องการธาตุหนักชนิดอื่นๆ อีกจำนวนเล็กน้อย เช่น ดิสโพรเซียม เทอร์เบียม และ praseodymium
คำถามเกี่ยวกับอุปทาน
ปัญหาคือธาตุหายากขาดตลาด ไม่ใช่เพราะมันหายากโดยเนื้อแท้ แต่ชื่อของพวกเขามาจากตำแหน่งในตารางธาตุ ตามรายงานเมื่อปีที่แล้วจาก Magnetics & Materials LLCภายในปี 2030 โลกจะต้องการแม่เหล็กนีโอไดเมียมมากกว่าที่คาดว่าจะมีอยู่ถึง 55,000 ตัน โดย 40% ของความต้องการทั้งหมดคาดว่าจะมาจากรถยนต์ไฟฟ้า และ 11% จากกังหันลม
ปัจจุบันจีนผลิตแม่เหล็กนีโอไดเมียมถึง 90% ของโลก ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมสหรัฐฯ สหภาพยุโรป และประเทศอื่นๆ จึงพยายามพัฒนาขีดความสามารถในห่วงโซ่อุปทานเพื่อไม่ให้เสียเปรียบ ราคาของวัสดุธาตุหายากบางชนิดพุ่งสูงขึ้น ทำให้มีการวิจัยจำนวนมากเกี่ยวกับองค์ประกอบของแม่เหล็กใหม่ การรีไซเคิลแม่เหล็กที่มีอยู่ และมอเตอร์เหนี่ยวนำไฟฟ้ากระแสสลับขั้นสูง
ไม่ว่าคุณจะมองไปทางไหน เราจำเป็นต้องมีแม่เหล็กจำนวนมากหากเราต้องการทำให้เศรษฐกิจเป็นสีเขียว
