James McKenzie Ekonomiyi yeşile çevirmek istiyorsak çok fazla mıknatısa ihtiyacımız olacağının farkında
Geçenlerde katılmak için Newcastle'daydım PEMD2022 – Güç elektroniği, makineler ve sürücüler üzerine 11. uluslararası konferans. Beni etkileyen şey, yalnızca elektrik motorları ve jeneratörlerde meydana gelen büyük performans iyileştirmeleri değil, aynı zamanda taşımacılığı tamamen karbonsuz hale getirmek için hala ne kadar ileri gitmemiz gerektiğiydi.
Elektrikli otomobillerin küresel satışları (tamamen akülü, yakıt hücreli ve şarjlı hibritler dahil) 2021'de ikiye katlanarak tüm zamanların en yüksek rakamı olan 6.6 milyona ulaştı. Şu anda araç satışlarının %5-6'sını oluşturuyorlar ve her hafta 2012'nin tamamına göre daha fazla satılıyorlar. Küresel Elektrikli Araç Görünümü 2022 rapor.
Her yeni elektrikli aracın en az bir adet yüksek güçlü elektrik motoruna ihtiyacı olacak.
Projeksiyonlar değişiklik gösteriyor ancak pazar araştırma firmasına göre yıllık satışların 65 yılına kadar küresel olarak 2030 milyon elektrikli araca çıkması bekleniyor. IHS Markit. İçten yanmalı motorlu araçların yıllık satışları ise 68'de 2021 milyon adetten 38'a kadar 2030 milyona düşecek.
Açık olan şu ki, her yeni elektrikli aracın en az bir adet yüksek güçlü elektrik motoruna ihtiyacı olacak. Bu araçların neredeyse tamamı (yaklaşık %85'i) şu anda en verimli motorlar olduğu için kalıcı mıknatıslı (PM) motorlar kullanıyor (kayıt %98.8). Birkaçı Alternatif Akım (AC) endüksiyon motorları ve jeneratörleri kullanır, ancak bunlar PM motorlardan %4-8 daha az verimlidir, %60'a kadar daha ağırdır ve %70'e kadar daha büyüktür.
Bu devrim niteliğindeki uçak, hava yolculuğunu yeşile çevirebilir mi?
Yine de PM olmayan bu motorlar ve jeneratörler, örneğin kamyonlar, gemiler ve rüzgar türbini jeneratörleri için mükemmeldir. Prensip olarak tek bir malzemeden (alüminyum diyelim) yapılabildikleri ve kullanım ömürlerinin sonuna geldiklerinde eritilebildikleri için geri dönüştürülmeleri de kolaydır. Hatta Tesla Motors gibi bazı firmalar performansı ve menzili optimize etmek için PM ve elektromanyetik yaklaşımları giderek daha karmaşık tasarımlarla birleştiriyor. Ancak katı hal güç elektroniğindeki büyük ilerlemeler olmadan elektrikli araçlardaki ilerlemelerin hiçbiri mümkün olamazdı.
Manyetik cazibe
Yunanistan'ın kuzeyindeki Magnesia'daki bir çobanın ayakkabısındaki çivileri ve asasının metal ucunun manyetik bir kayaya (ya da efsaneye göre öyle) sıkı sıkıya yapıştığını fark etmesinden bu yana mıknatıslar uzun bir yol kat etti. Bu "mıknatıs taşları" binlerce yıldır pusulalarda yön bulmak için kullanıldı ancak Hans Christian Ørsted, elektrik akımının pusula iğnesini etkileyebileceğini ancak 1800'lerin başlarında keşfetti.
Dönme hareketine sahip bir motorun ilk gösterimi 1821'de Michael Faraday'ın serbest asılı bir teli üzerine PM yerleştirilen bir cıva havuzuna batırmasıyla gerçekleşti. Makineleri döndürebilen ilk DC elektrik motoru İngiliz bilim adamı tarafından geliştirildi mersin balığı 1832'de. ABD'li mucitler Thomas ve Emily Davenport, pille çalışan ilk pratik DC elektrik motorunu hemen hemen aynı zamanlarda yaptılar.
Bu motorlar takım tezgahlarını ve matbaayı çalıştırmak için kullanıldı. Ancak pil gücü çok pahalı olduğundan motorlar ticari olarak başarısız oldu ve Davenport'lar iflas etti. Pille çalışan DC motorlar geliştirmeye çalışan diğer mucitler de güç kaynağının maliyetiyle mücadele ediyordu. Sonunda, 1880'lerde, AC'nin uzun mesafelere yüksek voltajla gönderilebilmesi gerçeğinden yararlanan AC motorlara dikkat çekildi.
İlk AC “endüksiyon motoru”, 1885 yılında İtalyan fizikçi Galileo Ferraris tarafından, stator sargısının manyetik alanından elektromanyetik indüksiyonla motoru çalıştıran elektrik akımıyla icat edildi. Bu cihazın güzelliği, rotora herhangi bir elektrik bağlantısı olmadan yapılabilmesidir; bu, Nikola Tesla'nın yakaladığı ticari bir fırsattır. 1887'de bağımsız olarak kendi endüksiyon motorunu icat ettikten sonra, ertesi yıl AC motorun patentini aldı.
Ancak uzun yıllar boyunca PM'lerin alanları doğal olarak oluşan manyetitten (yaklaşık 0.005 T) daha yüksek değildi. 1930'larda alnico'nun (çoğunlukla alüminyum, nikel ve kobalt alaşımları) geliştirilmesine kadar pratik olarak kullanışlı PM DC motorlar ve jeneratörler mümkün hale gelmedi. 1950'lerde düşük maliyetli ferrit (seramik) PM'ler ortaya çıktı ve bunu 1960'larda yine daha güçlü olan samaryum ve kobalt mıknatıslar izledi.
Ancak asıl oyun değiştirici, 1980'lerde neodim, demir ve bor içeren neodimyum PM'lerin icadıyla gerçekleşti. Günümüzde, N42 sınıfı neodimyum PM'lerin gücü yaklaşık 1.3 T'dir, ancak mıknatıs ve motor tasarımı söz konusu olduğunda tek temel ölçü bu değildir: çalışma sıcaklığı da hayati öneme sahiptir.
Bazı nadir toprak malzemelerinin fiyatları hızla arttı ve bu da yeni mıknatıs bileşimleri üzerine büyük miktarda araştırma yapılmasına yol açtı.
Bunun nedeni PM'lerin performansının ısındıkça düşmesi ve "Curie noktası"nın (neodymium mıknatıslar için yaklaşık 320 °C) üzerine çıktıklarında tamamen manyetikliği gidererek motoru kullanılamaz hale getirmeleridir. Neodim, kobalt ve samaryum da dahil olmak üzere tüm nadir toprak mıknatıslarıyla ilgili bir diğer önemli şey, yüksek zorlayıcılığa sahip olmalarıdır, yani çalışırken kolayca manyetikliği giderilemezler. En yüksek zorlayıcılığa ve en iyi sıcaklık performansına sahip mıknatısları yapmak için ayrıca disprosyum, terbiyum ve praseodimyum gibi diğer ağır nadir toprak elementlerine de az miktarda ihtiyacınız vardır.
Bir tedarik meselesi
Sorun şu ki, nadir toprak elementleri yetersiz miktarda bulunuyor. Bunun nedeni doğası gereği nadir olmaları değil, isimlerinin sadece periyodik tablodaki konumlarından gelmesidir. Geçen yıl yayınlanan bir rapora göre Manyetikler ve Malzemeler LLC2030 yılına gelindiğinde dünyanın mevcut olandan 55,000 ton daha fazla neodimyum mıknatısa ihtiyacı olacak ve toplam talebin %40'ının elektrikli araçlardan ve %11'inin rüzgar türbinlerinden gelmesi bekleniyor.
Çin şu anda dünyadaki neodimyum mıknatısların %90'ını üretiyor; bu nedenle ABD, AB ve diğerleri dezavantajlı duruma düşmemek için tedarik zincirindeki yeteneklerini geliştirmeye çalışıyor. Bazı nadir toprak malzemelerinin fiyatları hızla arttı ve bu durum yeni mıknatıs bileşimleri, mevcut mıknatısların geri dönüşümü ve gelişmiş AC endüksiyon motorları üzerine büyük miktarda araştırma yapılmasına yol açtı.
Hangi açıdan bakarsanız bakın, eğer ekonomiyi yeşillendireceksek çok fazla mıknatısa ihtiyacımız olacak.
