¿Qué es el imán misterioso de Tesla?

El día del inversor de Tesla el 1 de marzo comenzó con un discurso detallado y divagante sobre la energía y el medio ambiente antes de pasar a una serie de anuncios y alardes en su mayoría predecibles. Y entonces, de la nada, surgió una auténtica bomba: "Hemos diseñado nuestra próxima unidad de propulsión, que utiliza un motor de imán permanente, para no utilizar ningún elemento de tierras raras", declaró Colin Campbell, director de energía de Tesla. ingeniería de trenes.

Fue una revelación sorprendente que dejó a la mayoría de los expertos en magnetismo permanente cautelosos y perplejos. Alexander Gabay, investigador de la Universidad de Delaware, afirma rotundamente: “Soy escéptico de que cualquier imán permanente que no sea de tierras raras pueda utilizarse en un motor de tracción síncrono en un futuro próximo”. Y en la Universidad de Uppsala, en Suecia, la física Alena Vishina explica: "No estoy segura de que sea posible utilizar únicamente materiales libres de tierras raras para fabricar un motor potente y eficiente".

El problema aquí es la física, que ni siquiera Tesla puede alterar.

Y en una reciente conferencia sobre magnetismo, Ping Liu, profesor de la Universidad de Texas, en Arlington, preguntó a otros investigadores qué pensaban del anuncio de Tesla. "Nadie entiende esto del todo", informa. (Tesla no respondió a un correo electrónico solicitando más detalles sobre el comentario de Campbell).

Nunca se debe subestimar la destreza técnica de Tesla. Pero, por otro lado, la empresa (y en particular su director general) tiene un historial de hacer afirmaciones sensacionalistas esporádicas que no dan resultado (todavía estamos esperando ese Model 3 de 35.000 dólares, por ejemplo).

El problema aquí es la física, que ni siquiera Tesla puede alterar. El magnetismo permanente ocurre en ciertos materiales cristalinos cuando los espines de los electrones de algunos de los átomos del cristal se ven obligados a apuntar en la misma dirección. Cuantos más giros alineados haya, más fuerte será el magnetismo. Para ello, los átomos ideales son aquellos que tienen electrones desapareados pululan alrededor del núcleo en lo que se conoce como orbitales 3d. Las cimas son de hierro, con cuatro electrones 3d desapareados, y de cobalto, con tres.

Pero los electrones 3D por sí solos no son suficientes para fabricar imanes superfuertes. Como descubrieron los investigadores hace décadas, la fuerza magnética se puede mejorar enormemente agregando a la red cristalina átomos con electrones desapareados en el orbital 4f, en particular los elementos de tierras raras neodimio, samario y disprosio. Estos electrones 4f mejoran una característica de la red cristalina llamada anisotropía magnética; de hecho, promueven la adherencia de los momentos magnéticos de los átomos a direcciones específicas en la red cristalina. Esto, a su vez, puede aprovecharse para lograr una alta coercitividad, la propiedad esencial que permite que un imán permanente permanezca magnetizado. Además, a través de varios mecanismos físicos complejos, los electrones 4f desapareados pueden amplificar el magnetismo del cristal coordinando y estabilizando la alineación del espín de los electrones 3d en la red.

Desde la década de 1980, un imán permanente basado en un compuesto de neodimio, hierro y boro (NdFeB) ha dominado las aplicaciones de alto rendimiento, incluidos motores, teléfonos inteligentes, altavoces y generadores de turbinas eólicas. Un estudio de 2019 realizado por Roskill Information Services, en Londres, encontró que más del 90 por ciento de los imanes permanentes utilizados en los motores de tracción de los automóviles eran NdFeB.

Entonces, si no son imanes permanentes de tierras raras para el próximo motor de Tesla, ¿de qué tipo? Entre los expertos dispuestos a especular, la elección fue unánime: los imanes de ferrita. Entre los imanes permanentes no raros inventados hasta ahora, sólo dos se producen a gran escala: ferritas y otro tipo llamado Alnico (aluminio níquel cobalto). Tesla no va a utilizar Alnico, insistió media docena de expertos contactados por IEEESpectrum. Estos imanes son débiles y, lo que es más importante, la oferta mundial de cobalto es tan escasa que representan menos del 2 por ciento del mercado de imanes permanentes.

Hay más de una veintena de imanes permanentes que no utilizan elementos de tierras raras, o que no utilizan muchos de ellos. Pero ninguno de ellos ha tenido impacto fuera del laboratorio.

Los imanes de ferrita, basados ​​en una forma de óxido de hierro, son baratos y representan casi el 30 por ciento del mercado de imanes permanentes en términos de ventas. Pero también son débiles (un uso importante es mantener cerradas las puertas del refrigerador). Un indicador clave del rendimiento de un imán permanente es su producto energético máximo, medido en megagauss-oersteds (MGOe). Refleja tanto la fuerza de un imán como su coercitividad. Para el tipo de NdFeB comúnmente utilizado en motores de tracción de automóviles, este valor suele rondar los 35 MGOe. Para los mejores imanes de ferrita, es alrededor de 4.

“Incluso si consigues el imán de ferrita de mejor rendimiento, tendrás un rendimiento entre cinco y diez veces inferior al del neodimio-hierro-boro”, afirma Daniel Salazar Jaramillo, investigador magnético del Centro Vasco de Materiales, Aplicaciones y Nanoestructuras, en España. Entonces, en comparación con un motor síncrono construido con imanes de NdFeB, uno basado en imanes de ferrita será mucho más grande y pesado, mucho más débil o una combinación de ambos.

Sin duda, hay más de una veintena de otros imanes permanentes que no utilizan elementos de tierras raras o que no utilizan muchos de ellos. Pero ninguno de ellos ha tenido impacto fuera del laboratorio. La lista de atributos necesarios para un imán permanente comercialmente exitoso incluye alta intensidad de campo, alta coercitividad, tolerancia a altas temperaturas, buena resistencia mecánica, facilidad de fabricación y falta de dependencia de elementos que son escasos, tóxicos o problemáticos por alguna otra razón. . Ninguno de los candidatos de hoy cumple con una o más de estas casillas.

Los imanes de nitruro de hierro, como este de la startup Niron Magnetics, se encuentran entre los más prometedores de una generación emergente de imanes permanentes que no utilizan elementos de tierras raras. Niron Magnetics

Pero si le damos unos cuantos años más, dicen algunos investigadores, uno o dos de ellos muy bien podrían abrirse paso. Entre los más prometedores: el nitruro de hierro, Fe16N2. Una startup de Minneapolis, Niron Magnetics, está comercializando tecnología que fue pionera con financiación de ARPA-E por Jian Ping Wang en la Universidad de Minnesota a principios de la década de 2000, después de trabajos anteriores en Hitachi. El vicepresidente ejecutivo de Niron, Andy Blackburn, dijo a Spectrum que la compañía tiene intención de presentar su primer producto a finales de 2024. Blackburn dice que será un imán permanente con un producto energético superior a 10 MGOe, para el que anticipa aplicaciones en altavoces y sensores, entre otros. otros. Si lo logra, será el primer imán permanente comercial nuevo desde el NdFeB, hace 40 años, y el primer imán permanente comercial no de tierras raras desde la ferrita de estroncio, el mejor tipo de ferrita, hace 60 años.

Según Blackburn, a la primera oferta de Niron le seguirá en 2025 un imán con un producto energético superior a 30 MGOe. Para ello hace una predicción bastante audaz: “Tendrá un flujo tan bueno o mejor que el neodimio. Tendrá la coercitividad de una ferrita y tendrá los coeficientes de temperatura del samario cobalto”, mejor que el NdFeB. Si el imán realmente logra combinar todos esos atributos (un gran si), sería muy adecuado para su uso en motores de tracción de vehículos eléctricos.

Habrá más por venir, declara Blackburn. "Todas estas nuevas capacidades de ingeniería a nanoescala nos han permitido crear materiales que habrían sido imposibles de fabricar hace 20 años", afirma.