Ze względu na łańcuch dostaw i problemy środowiskowe dział układów napędowych Tesli ciężko pracuje nad usunięciem magnesów ziem rzadkich z silników i szuka alternatywnych rozwiązań.
Tesla nie wynalazła jeszcze zupełnie nowego materiału magnesu, więc może zadowolić się istniejącą technologią, najprawdopodobniej wykorzystując tani i łatwy w produkcji ferryt.
Dzięki starannemu rozmieszczeniu magnesów ferrytowych i dostosowaniu innych aspektów konstrukcji silnika można uzyskać wiele wskaźników wydajnościziemia rzadkasilniki napędowe można replikować. W tym przypadku masa silnika wzrasta jedynie o około 30%, co może być niewielką różnicą w porównaniu do całkowitej masy samochodu.
4. Nowe materiały magnetyczne muszą posiadać trzy podstawowe cechy: 1) muszą mieć magnetyzm; 2) Kontynuuj utrzymywanie magnetyzmu w obecności innych pól magnetycznych; 3) Może wytrzymać wysokie temperatury.
Według Tencent Technology News producent pojazdów elektrycznych Tesla oświadczył, że w silnikach jego samochodów nie będą już stosowane pierwiastki ziem rzadkich, co oznacza, że inżynierowie Tesli będą musieli w pełni uwolnić swoją kreatywność w poszukiwaniu alternatywnych rozwiązań.
W zeszłym miesiącu Elon Musk zaprezentował „trzecią część planu generalnego” podczas wydarzenia Tesla Investor Day. Wśród nich znalazł się drobny szczegół, który wywołał sensację w dziedzinie fizyki. Colin Campbell, starszy dyrektor w dziale układów napędowych Tesli, ogłosił, że jego zespół usuwa magnesy ziem rzadkich z silników ze względu na problemy w łańcuchu dostaw i znaczny negatywny wpływ produkcji magnesów ziem rzadkich.
Aby osiągnąć ten cel, Campbell zaprezentował dwa slajdy zawierające trzy tajemnicze materiały sprytnie oznaczone jako pierwiastki ziem rzadkich 1, pierwiastki ziem rzadkich 2 i pierwiastki ziem rzadkich 3. Pierwszy slajd przedstawia obecną sytuację Tesli, gdzie ilość pierwiastków ziem rzadkich wykorzystywanych przez firmę w każdym pojeździe waha się od pół kilograma do 10 gramów. Na drugim slajdzie wykorzystanie wszystkich pierwiastków ziem rzadkich zostało zmniejszone do zera.
Dla magnetologów badających magiczną moc generowaną przez ruch elektronów w niektórych materiałach, tożsamość pierwiastka ziem rzadkich 1, którym jest neodym, jest łatwo rozpoznawalna. Dodany do powszechnych pierwiastków, takich jak żelazo i bor, metal ten może pomóc w wytworzeniu silnego, zawsze aktywnego pola magnetycznego. Jednak niewiele materiałów ma tę jakość, a jeszcze mniej pierwiastków ziem rzadkich generuje pola magnetyczne, które mogą poruszać samochodami Tesli ważącymi ponad 2000 kilogramów, a także wieloma innymi obiektami, od robotów przemysłowych po myśliwce. Jeśli Tesla planuje usunąć z silnika neodym i inne pierwiastki ziem rzadkich, jakiego magnesu użyje zamiast tego?
Dla fizyków jedno jest pewne: Tesla nie wynalazł zupełnie nowego rodzaju materiału magnetycznego. Andy Blackburn, wiceprezes wykonawczy ds. strategii w NIron Magnets, powiedział: „W ciągu ponad 100 lat możemy mieć tylko kilka okazji do zdobycia nowych magnesów biznesowych”. NIron Magnets to jeden z niewielu startupów, który próbuje wykorzystać kolejną szansę.
Blackburn i inni uważają, że bardziej prawdopodobne jest, że Tesla zdecydowała się zadowolić znacznie słabszym magnesem. Spośród wielu możliwości najbardziej oczywistym kandydatem jest ferryt: materiał ceramiczny składający się z żelaza i tlenu zmieszanego z niewielką ilością metalu, takiego jak stront. Jest tani i łatwy w produkcji, a od lat 50. XX wieku drzwi do lodówek na całym świecie są produkowane w ten sposób.
Jednak pod względem objętości magnetyzm ferrytu jest tylko jedną dziesiątą magnetyzmu magnesów neodymowych, co rodzi nowe pytania. Dyrektor generalny Tesli, Elon Musk, zawsze był znany z bezkompromisowości, ale jeśli Tesla ma przejść na ferryt, wydaje się, że należy poczynić pewne ustępstwa.
Łatwo uwierzyć, że akumulatory są siłą pojazdów elektrycznych, ale w rzeczywistości to jazda elektromagnetyczna napędza pojazdy elektryczne. To nie przypadek, że zarówno firma Tesla, jak i jednostka magnetyczna „Tesla” noszą imię tej samej osoby. Kiedy elektrony przepływają przez cewki silnika, wytwarzają pole elektromagnetyczne, które napędza przeciwną siłę magnetyczną, powodując obrót wału silnika wraz z kołami.
W przypadku tylnych kół samochodów Tesli siły te zapewniają silniki z magnesami trwałymi, dziwnym materiałem o stabilnym polu magnetycznym i braku prądu wejściowego, dzięki sprytnemu spinowi elektronów wokół atomów. Tesla zaczęła dodawać te magnesy do samochodów dopiero około pięć lat temu, aby zwiększyć zasięg i zwiększyć moment obrotowy bez modernizacji akumulatora. Wcześniej firma stosowała silniki indukcyjne oparte na elektromagnesach, które wytwarzają magnetyzm poprzez zużycie energii elektrycznej. Modele wyposażone w silniki z przodu nadal korzystają z tego trybu.
Decyzja Tesli o rezygnacji z pierwiastków ziem rzadkich i magnesów wydaje się nieco dziwna. Firmy samochodowe często mają obsesję na punkcie wydajności, zwłaszcza w przypadku pojazdów elektrycznych, gdzie wciąż próbują przekonać kierowców, aby przełamali strach przed zasięgiem. Jednak w miarę jak producenci samochodów zaczynają zwiększać skalę produkcji pojazdów elektrycznych, wiele projektów, które wcześniej uważano za zbyt nieefektywne, powraca na powierzchnię.
Skłoniło to producentów samochodów, w tym Teslę, do produkcji większej liczby samochodów wyposażonych w akumulatory litowo-żelazowo-fosforanowe (LFP). W porównaniu do akumulatorów zawierających takie pierwiastki jak kobalt i nikiel, modele te często mają krótszy zasięg. Jest to starsza technologia, charakteryzująca się większą wagą i mniejszą pojemnością. Obecnie Model 3 napędzany silnikiem wolnoobrotowym ma zasięg 272 mil (około 438 kilometrów), natomiast zdalny Model S wyposażony w bardziej zaawansowane akumulatory może osiągnąć 400 mil (640 kilometrów). Jednak zastosowanie baterii litowo-żelazowo-fosforanowej może być rozsądniejszym wyborem biznesowym, ponieważ pozwala uniknąć stosowania droższych, a nawet ryzykownych politycznie materiałów.
Jest jednak mało prawdopodobne, aby Tesla po prostu zastąpiła magnesy czymś gorszym, np. ferrytem, bez wprowadzenia jakichkolwiek innych zmian. Fizyk z Uniwersytetu w Uppsali, Alaina Vishna, powiedziała: „Będziesz miał w samochodzie ogromny magnes. Na szczęście silniki elektryczne to dość złożone maszyny z wieloma innymi podzespołami, które teoretycznie można przestawić, aby zmniejszyć wpływ stosowania słabszych magnesów.
W przypadku modeli komputerowych firma materiałowa Proterial ustaliła niedawno, że wiele wskaźników wydajności silników napędowych na bazie metali ziem rzadkich można odtworzyć poprzez ostrożne ustawienie magnesów ferrytowych i dostosowanie innych aspektów konstrukcji silnika. W tym przypadku masa silnika wzrasta jedynie o około 30%, co może być niewielką różnicą w porównaniu do całkowitej masy samochodu.
Pomimo tych problemów producenci samochodów nadal mają wiele powodów, aby porzucać pierwiastki ziem rzadkich, o ile tylko mogą. Wartość całego rynku pierwiastków ziem rzadkich jest podobna do wartości rynku jaj w Stanach Zjednoczonych i teoretycznie pierwiastki ziem rzadkich można wydobywać, przetwarzać i przekształcać w magnesy na całym świecie, ale w rzeczywistości procesy te wiążą się z wieloma wyzwaniami.
Analityk minerałów i popularny bloger zajmujący się obserwacjami pierwiastków ziem rzadkich Thomas Krumer powiedział: „Jest to branża warta 10 miliardów dolarów, ale wartość produktów wytwarzanych każdego roku waha się od 2 do 3 bilionów dolarów, co stanowi ogromną dźwignię. To samo tyczy się samochodów. Nawet jeśli zawierają tylko kilka kilogramów tej substancji, usunięcie ich oznacza, że samochody nie będą mogły już jeździć, chyba że zechcesz przeprojektować cały silnik
Stany Zjednoczone i Europa starają się dywersyfikować ten łańcuch dostaw. Kopalnie metali ziem rzadkich w Kalifornii, które zostały zamknięte na początku XXI wieku, zostały niedawno ponownie otwarte i obecnie dostarczają 15% światowych zasobów metali rzadkich. W Stanach Zjednoczonych agencje rządowe (zwłaszcza Departament Obrony) muszą zapewniać potężne magnesy dla sprzętu takiego jak samoloty i satelity, dlatego entuzjastycznie podchodzą do inwestowania w łańcuchy dostaw na rynku krajowym oraz w regionach takich jak Japonia i Europa. Biorąc jednak pod uwagę koszty, wymaganą technologię i kwestie środowiskowe, jest to powolny proces, który może trwać kilka lat, a nawet dziesięcioleci.
Czas publikacji: 11 maja 2023 r