Через проблеми з ланцюгом поставок та екологічні проблеми відділ силових агрегатів Tesla наполегливо працює над видаленням рідкоземельних магнітів з двигунів та шукає альтернативні рішення.
Тесла ще не винайшла абсолютно нового магнітного матеріалу, тому вона може обійтися існуючою технологією, найімовірніше, використовуючи дешевий та легко виготовлюваний ферит.
Завдяки ретельному розташуванню феритових магнітів та налаштуванню інших аспектів конструкції двигуна, багато показників продуктивностірідкісноземельніПривідні двигуни можна відтворити. У цьому випадку вага двигуна збільшується лише приблизно на 30%, що може бути незначною різницею порівняно із загальною вагою автомобіля.
4. Нові магнітні матеріали повинні мати такі три основні характеристики: 1) вони повинні мати магнетизм; 2) продовжувати зберігати магнетизм у присутності інших магнітних полів; 3) витримувати високі температури.
Згідно з Tencent Technology News, виробник електромобілів Tesla заявив, що рідкоземельні елементи більше не використовуватимуться в двигунах його автомобілів, а це означає, що інженерам Tesla доведеться повністю розкрити свою креативність у пошуку альтернативних рішень.
Минулого місяця Ілон Маск представив «Третю частину Генерального плану» на заході Tesla Investor Day. Серед них є невелика деталь, яка викликала сенсацію у галузі фізики. Колін Кемпбелл, старший керівник відділу силових агрегатів Tesla, оголосив, що його команда видаляє рідкоземельні магніти з двигунів через проблеми з ланцюгом поставок та значний негативний вплив виробництва рідкоземельних магнітів.
Для досягнення цієї мети Кемпбелл представив два слайди, що стосуються трьох загадкових матеріалів, дотепно позначених як рідкісноземельні елементи 1, рідкісноземельні елементи 2 та рідкісноземельні елементи 3. Перший слайд відображає поточну ситуацію в Tesla, де кількість рідкісноземельних елементів, що використовуються компанією в кожному транспортному засобі, коливається від півкілограма до 10 грамів. На другому слайді використання всіх рідкісноземельних елементів зведено до нуля.
Для магнітологів, які вивчають магічну силу, що генерується електронним рухом у певних матеріалах, легко впізнати рідкісноземельний елемент 1, а саме неодим. При додаванні до поширених елементів, таких як залізо та бор, цей метал може допомогти створити сильне, постійно активне магнітне поле. Але мало які матеріали мають таку якість, і ще менше рідкісноземельних елементів генерують магнітні поля, які можуть рухати автомобілі Tesla вагою понад 2000 кілограмів, а також багато інших речей, від промислових роботів до винищувачів. Якщо Tesla планує видалити неодим та інші рідкісноземельні елементи з двигуна, який магніт вона використовуватиме замість цього?
Для фізиків одне можна сказати напевно: Тесла не винайшов абсолютно новий тип магнітного матеріалу. Енді Блекберн, виконавчий віце-президент зі стратегії NIron Magnets, сказав: «За понад 100 років у нас може бути лише кілька можливостей придбати нові магніти для бізнесу». NIron Magnets — один з небагатьох стартапів, які намагаються скористатися наступною можливістю.
Блекберн та інші вважають, що Тесла, швидше за все, вирішив обійтися набагато менш потужним магнітом. Серед багатьох можливих варіантів найочевиднішим кандидатом є ферит: кераміка, що складається із заліза та кисню, змішаних з невеликою кількістю металу, такого як стронцій. Він дешевий і простий у виробництві, і з 1950-х років двері холодильників по всьому світу виготовляються таким чином.
Але за обсягом магнетизм фериту становить лише одну десяту від магнетизму неодимових магнітів, що викликає нові питання. Генеральний директор Tesla Ілон Маск завжди був відомий своєю безкомпромісністю, але якщо Tesla має перейти на ферит, схоже, що доведеться піти на деякі поступки.
Легко повірити, що акумулятори – це сила електромобілів, але насправді саме електромагнітне керування керує електромобілями. Не випадково і компанія Tesla, і магнітний агрегат «Tesla» названі на честь однієї людини. Коли електрони проходять через котушки в двигуні, вони генерують електромагнітне поле, яке керує протилежною магнітною силою, змушуючи вал двигуна обертатися разом з колесами.
Для задніх коліс автомобілів Tesla ці сили забезпечуються двигунами з постійними магнітами – дивним матеріалом зі стабільним магнітним полем, який не потребує вхідного струму завдяки розумному обертанню електронів навколо атомів. Tesla почала додавати ці магніти до автомобілів лише близько п’яти років тому, щоб збільшити запас ходу та крутний момент без модернізації акумулятора. До цього компанія використовувала асинхронні двигуни, виготовлені на основі електромагнітів, які генерують магнетизм, споживаючи електроенергію. Моделі, оснащені передніми двигунами, досі використовують цей режим.
Відмова Tesla від рідкоземельних елементів та магнітів видається дещо дивним. Автомобільні компанії часто одержимі ефективністю, особливо у випадку з електромобілями, де вони досі намагаються переконати водіїв подолати свій страх перед запасом ходу. Але оскільки виробники автомобілів починають розширювати масштаби виробництва електромобілів, багато проектів, які раніше вважалися надто неефективними, знову з'являються.
Це спонукало виробників автомобілів, включаючи Tesla, виробляти більше автомобілів з використанням літій-залізо-фосфатних (LFP) акумуляторів. Порівняно з акумуляторами, що містять такі елементи, як кобальт і нікель, ці моделі часто мають менший запас ходу. Це стара технологія з більшою вагою та меншою ємністю. Наразі Model 3, що працює на низькошвидкісному двигуні, має запас ходу 272 милі (приблизно 438 кілометрів), тоді як дистанційна Model S, оснащена більш досконалими акумуляторами, може досягати 400 миль (640 кілометрів). Однак використання літій-залізо-фосфатних акумуляторів може бути більш розумним бізнес-вибором, оскільки це дозволяє уникнути використання дорожчих і навіть політично ризикованих матеріалів.
Однак, навряд чи Tesla просто замінить магніти чимось гіршим, наприклад, феритом, не вносячи жодних інших змін. Фізик з Уппсальського університету Алайна Вішна сказала: «Ви возитимете величезний магніт у своєму автомобілі. На щастя, електродвигуни — це досить складні машини з багатьма іншими компонентами, які теоретично можна переставити, щоб зменшити вплив використання слабших магнітів».
У комп'ютерних моделях компанія Proterial, що займається матеріалами, нещодавно визначила, що багато показників продуктивності двигунів з рідкоземельним приводом можна відтворити, ретельно розташувавши феритові магніти та налаштувавши інші аспекти конструкції двигуна. У цьому випадку вага двигуна збільшується лише приблизно на 30%, що може бути невеликою різницею порівняно із загальною вагою автомобіля.
Незважаючи на ці труднощі, автомобільні компанії все ще мають багато причин відмовитися від рідкоземельних елементів, за умови, що вони можуть це зробити. Вартість усього ринку рідкоземельних елементів подібна до вартості ринку яєць у Сполучених Штатах, і теоретично рідкоземельні елементи можна видобувати, переробляти та перетворювати на магніти по всьому світу, але насправді ці процеси створюють багато труднощів.
Аналітик мінералів і популярний блогер зі спостереження за рідкісними землями Томас Крумер сказав: «Це галузь вартістю 10 мільярдів доларів, але вартість продуктів, що створюються щороку, коливається від 2 до 3 трильйонів доларів, що є величезним важелем. Те саме стосується автомобілів. Навіть якщо вони містять лише кілька кілограмів цієї речовини, їх видалення означає, що автомобілі більше не зможуть рухатися, якщо ви не готові переробити весь двигун».
Сполучені Штати та Європа намагаються диверсифікувати цей ланцюг поставок. Каліфорнійські шахти з видобутку рідкоземельних корисних копалин, які були закриті на початку 21 століття, нещодавно знову відкрилися і наразі постачають 15% світових ресурсів рідкоземельних корисних копалин. У Сполучених Штатах урядові установи (особливо Міністерство оборони) повинні забезпечувати потужні магніти для такого обладнання, як літаки та супутники, і вони з ентузіазмом інвестують у ланцюги поставок всередині країни та в таких регіонах, як Японія та Європа. Але враховуючи вартість, необхідні технології та екологічні проблеми, це повільний процес, який може тривати кілька років або навіть десятиліть.
Час публікації: 11 травня 2023 р.