Из-за проблем с цепочкой поставок и экологических проблем отдел силовых агрегатов Tesla усердно работает над удалением редкоземельных магнитов из двигателей и ищет альтернативные решения.
Тесла еще не изобрел совершенно новый магнитный материал, поэтому он может обойтись существующей технологией, скорее всего, используя дешевый и легко производимый феррит.
Благодаря тщательному расположению ферритовых магнитов и корректировке других аспектов конструкции двигателя многие показатели производительностиредкоземельные элементыприводные двигатели могут быть воспроизведены. В этом случае вес мотора увеличивается всего примерно на 30%, что может быть небольшой разницей по сравнению с общим весом автомобиля.
4. Новые магнитные материалы должны обладать следующими тремя основными характеристиками: 1) они должны обладать магнетизмом; 2) Продолжать сохранять магнетизм в присутствии других магнитных полей; 3) Выдерживает высокие температуры.
По сообщению Tencent Technology News, производитель электромобилей Tesla заявил, что редкоземельные элементы больше не будут использоваться в моторах ее автомобилей, а это значит, что инженерам Tesla придется полностью раскрыть свой творческий потенциал в поиске альтернативных решений.
В прошлом месяце Илон Маск представил «Третью часть генерального плана» на мероприятии Tesla Investor Day. Среди них есть маленькая деталь, вызвавшая сенсацию в области физики. Колин Кэмпбелл, старший руководитель отдела силовых агрегатов Tesla, объявил, что его команда удаляет редкоземельные магниты из двигателей из-за проблем с цепочкой поставок и значительного негативного воздействия производства редкоземельных магнитов.
Для достижения этой цели Кэмпбелл представил два слайда, посвященных трем загадочным материалам, умело обозначенным как «редкоземельные элементы 1», «редкоземельные элементы 2» и «редкоземельные элементы 3». Первый слайд представляет текущую ситуацию в Tesla, где количество редкоземельных элементов, используемых компанией в каждом автомобиле, колеблется от полукилограмма до 10 граммов. На втором слайде использование всех редкоземельных элементов сведено к нулю.
Магнитологам, изучающим магическую силу, генерируемую электронным движением в определенных материалах, легко распознать редкоземельный элемент 1 — неодим. При добавлении к обычным элементам, таким как железо и бор, этот металл может помочь создать сильное, постоянно действующее магнитное поле. Но немногие материалы обладают таким качеством, и еще меньше редкоземельных элементов генерируют магнитные поля, способные перемещать автомобили Tesla весом более 2000 килограммов, а также многие другие вещи, от промышленных роботов до истребителей. Если Tesla планирует удалить из двигателя неодим и другие редкоземельные элементы, какой магнит она будет использовать вместо этого?
Для физиков одно можно сказать наверняка: Тесла не изобретал совершенно новый тип магнитного материала. Энди Блэкберн, исполнительный вице-президент по стратегии NIron Magnets, сказал: «Через более чем 100 лет у нас может быть лишь несколько возможностей приобрести новые бизнес-магниты». NIron Magnets — один из немногих стартапов, пытающихся воспользоваться следующей возможностью.
Блэкберн и другие полагают, что более вероятно, что Тесла решил обойтись гораздо менее мощным магнитом. Среди многих возможностей наиболее очевидным кандидатом является феррит: керамика, состоящая из железа и кислорода, смешанного с небольшим количеством металла, такого как стронций. Он дешев и прост в изготовлении, и с 1950-х годов дверцы холодильников во всем мире изготавливаются таким способом.
Но по объему магнетизм феррита составляет лишь одну десятую от неодимовых магнитов, что вызывает новые вопросы. Генеральный директор Tesla Илон Маск всегда был известен своей бескомпромиссностью, но если Tesla собирается перейти на феррит, похоже, необходимо пойти на некоторые уступки.
Легко поверить, что аккумуляторы — это сила электромобилей, но на самом деле электромобили движутся за счет электромагнитного вождения. Неслучайно и компания Tesla, и магнитный агрегат «Тесла» названы в честь одного и того же человека. Когда электроны проходят через катушки двигателя, они генерируют электромагнитное поле, которое приводит в движение противоположную магнитную силу, заставляя вал двигателя вращаться вместе с колесами.
Для задних колес автомобилей Tesla эти силы создаются двигателями с постоянными магнитами, странным материалом со стабильным магнитным полем и отсутствием входного тока благодаря умному вращению электронов вокруг атомов. Tesla начала добавлять эти магниты в автомобили только около пяти лет назад, чтобы расширить запас хода и увеличить крутящий момент без модернизации аккумулятора. До этого компания использовала асинхронные двигатели, изготовленные на основе электромагнитов, которые генерируют магнетизм, потребляя электроэнергию. Модели, оснащенные передними моторами, до сих пор используют этот режим.
Решение Теслы отказаться от редкоземельных металлов и магнитов кажется немного странным. Автомобильные компании часто одержимы эффективностью, особенно в случае с электромобилями, где они до сих пор пытаются убедить водителей преодолеть страх перед запасом хода. Но по мере того, как производители автомобилей начинают расширять масштабы производства электромобилей, многие проекты, которые ранее считались слишком неэффективными, возрождаются.
Это побудило производителей автомобилей, в том числе Tesla, производить больше автомобилей с использованием литий-железо-фосфатных батарей (LFP). По сравнению с батареями, содержащими такие элементы, как кобальт и никель, эти модели часто имеют меньший радиус действия. Это более старая технология с большим весом и меньшей емкостью. В настоящее время модель 3, работающая на низкой скорости, имеет запас хода 272 мили (приблизительно 438 километров), тогда как дистанционная модель S, оснащенная более совершенными батареями, может достигать 400 миль (640 километров). Однако использование литий-железо-фосфатных аккумуляторов может быть более разумным бизнес-выбором, поскольку позволяет избежать использования более дорогих и даже политически рискованных материалов.
Однако Tesla вряд ли просто заменит магниты на что-то похуже, например на феррит, не внося при этом никаких других изменений. Физик из Уппсальского университета Алайна Вишна сказала: «Вы будете возить в своей машине огромный магнит. К счастью, электродвигатели — довольно сложные машины со многими другими компонентами, которые теоретически можно перекомпоновать, чтобы уменьшить влияние использования более слабых магнитов.
Компания Proterial, занимающаяся производством материалов, недавно обнаружила, что при разработке компьютерных моделей многие показатели производительности редкоземельных приводных двигателей можно воспроизвести путем тщательного размещения ферритовых магнитов и корректировки других аспектов конструкции двигателя. В этом случае вес мотора увеличивается всего примерно на 30%, что может быть небольшой разницей по сравнению с общим весом автомобиля.
Несмотря на эти головные боли, у автомобильных компаний все еще есть много причин отказаться от редкоземельных элементов, если они могут это сделать. Стоимость всего рынка редкоземельных элементов аналогична стоимости рынка яиц в Соединенных Штатах, и теоретически редкоземельные элементы можно добывать, перерабатывать и превращать в магниты по всему миру, но на самом деле эти процессы представляют собой множество проблем.
Аналитик по минералам и популярный блоггер по наблюдениям за редкоземельными элементами Томас Крумер сказал: «Это отрасль стоимостью 10 миллиардов долларов, но стоимость продуктов, создаваемых каждый год, колеблется от 2 до 3 триллионов долларов, что является огромным рычагом. То же самое касается автомобилей. Даже если они содержат всего несколько килограммов этого вещества, их удаление означает, что автомобили больше не смогут ездить, если вы не захотите полностью перепроектировать двигатель.
США и Европа пытаются диверсифицировать эту цепочку поставок. Редкоземельные рудники в Калифорнии, которые были закрыты в начале 21 века, недавно вновь открылись и в настоящее время обеспечивают 15% мировых ресурсов редкоземельных элементов. В Соединенных Штатах правительственным учреждениям (особенно Министерству обороны) необходимо обеспечить мощные магниты для такого оборудования, как самолеты и спутники, и они с энтузиазмом инвестируют в цепочки поставок внутри страны и в таких регионах, как Япония и Европа. Но, учитывая стоимость, необходимые технологии и экологические проблемы, это медленный процесс, который может длиться несколько лет или даже десятилетий.
Время публикации: 11 мая 2023 г.