Nou imant permanent pels motors elèctrics de TESLA.

TESLA havien dissenyat el seu propi motor d'imant permanent sense  utilitzar cap element de terres rares.

Però, el problema és la física en sí i, les seves lleis. El magnetisme permanent es produeix en certs materials cristal·lins quan els girs dels electrons d'alguns dels àtoms del cristall es veuen obligats a apuntar en la mateixa direcció. Com més girs alineats d'aquests hi han, més fort és el magnetisme. Per a això, els àtoms ideals són aquells que tenen electrons no aparellats orbitant al voltant del nucli en el que es coneix com a orbitals 3D. Per exemple el ferro disposa quatre electrons 3D no aparellats, i de cobalt, tres.

Però els electrons desl orbitals 3D per si sols no són suficients per fer imants superforts. Tal com investigadors fa dècades van descobrir, la força magnètica es pot millorar molt afegint-hi àtoms de la xarxa cristal·lina amb electrons no aparellats a l'orbital 4f, sobretot en els elements de terres rarescom són el neodimi, samari i disprosi. Aquests electrons 4f milloren una característica de la xarxa cristal·lina anomenada anisotropia magnètica; en efecte, afavoreixen l'adhesió dels moments magnètics dels àtoms a les direccions específiques de la xarxa cristal·lina. Això, al seu torn, es pot aprofitar per aconseguir una alta coercivitat, la propietat essencial que permet que un imant permanent es mantingui magnetitzat. A més, mitjançant diversos mecanismes físics complexos, els electrons 4f no aparellats poden amplificar el magnetisme del cristall coordinant i estabilitzant l'alineació de spin dels electrons 3d a la xarxa.

Des de la dècada de 1980, un imant permanent basat en un compost de neodimi, ferro i bor (NdFeB) ha dominat les aplicacions d'alt rendiment, com ara motors, telèfons intel·ligents, altaveus i generadors d'aerogeneradors. Un estudi del 2019 de Roskill Information Services, a Londres, va trobar que més del 90 % dels imants permanents utilitzats en els motors de tracció d'automòbils eren de NdFeB.

Aleshores, si TESLA diu que ha fet un motor d'imants permanents que no necessita materials de terres rares llavors,de quin tipus? Els experts coincideixen  que només podens ser els imants de ferrita. Entre els imants permanents que no són de terres rares que s'han inventats fins ara, només hi han dos tipus que es fabriquen a escala industrial: el de ferrites i un altre tipus anomenat Alnico (alumini níquel cobalt).

Segons van dir, TESLA no utilitzarà Alnico ja que aquests imants són febles i, el que és més important, l'oferta mundial de cobalt és tan intensa que representen menys del 2 % del mercat d'imants permanents. Hi ha més d'una vintena d'imants permanents que no utilitzen elements de terres rares o que no en fan servir gaire. Però cap d'ells ha tingut èxit fora del laboratori.

Els imants de ferrita, basats en una forma d'òxid de ferro, són barats i representen gairebé el 30 % de les vendes del mercat d'imants permanents. Però també són febles (Per exemple essolen emprar per tancar les portes de la nevera). Un indicador clau del rendiment d'un imant permanent és el seu producte energètic màxim, mesurat en megagauss-oersteds (MGOe). Reflecteix tant la força d'un imant com la seva coercivitat. Per al tipus de NdFeB que s'utilitza habitualment en els motors de tracció d'automòbils, aquest valor és generalment al voltant de 35 MGOe. Per als millors imants de ferrita, és al voltant de 4.

Fins i tot, si s'obté el millor rendiment d'un imant de ferrita, es podria obtenir un rendiment entre cinc i deu vegades per sota del neodimi-ferro-bor. Així, en comparació amb un motor síncron construït amb imants NdFeB, comparant amb un motgor d'imants de ferrita, serà molt més gran i pesat o, molt més feble  o, una combinació dels dos.

Segurament, hi ha més d'una vintena d'altres imants permanents que no utilitzen elements de terres rares o que no en fan servir gaire. Però cap d'ells han tingut impacte fora del laboratori. La llista d'atributs necessaris per a un imant permanent amb èxit comercial inclou una gran intensitat de camp, una alta coercivitat, tolerància a altes temperatures, bona resistència mecànica, facilitat de fabricació i manca de confiança en elements que són escassos, tòxics o problemàtics per alguna altra raó. Tots els candidats d'avui dia presenten una o més dels anterios inconenients.

Ramon Gallart
Paper original: Electric vehicle traction motors without rare earth magnets,