Nowy silnik samochodów elektrycznych Tesli, wolny od rzadkich ziem, to ważna sprawa, ale nie aż tak ważna.

Oprócz dyskretnego wydarzenia Cybercab organizowanego przez Tesla w tym tygodniu, firma zaprezentowała swój nowy silnik Cybercab bez rzadkich ziem metali, który, jak podaje się, znacznie zwiększa gęstość mocy oraz efektywność.

To pewnego rodzaju osiągnięcie, ale aby zrozumieć, jak wielkie jest to osiągnięcie, musimy najpierw zrozumieć, co to wszystko tak naprawdę oznacza. Przygotujcie się.

Miło było usłyszeć wiele na temat wykorzystania „rzadkich ziem metali” w pojazdach elektrycznych. Istnieje jednak problem: wielu ludzi, którzy słyszeli ten termin, nie ma pojęcia, czym są „rzadkie ziemie metale”, w jaki sposób są wykorzystywane i jakie mają konsekwencje.

Inżynierowie projektujący te produkty oczywiście znają te kwestie. Ich zadaniem jest optymalizacja każdej części pojazdu, nad którą pracują, a zawsze istnieje jakaś forma optymalizacji do przeprowadzenia. Menedżerowie łańcucha dostaw, którzy kupują materiały używane przez inżynierów, naciskają na nich, by zminimalizować użycie określonych materiałów, które są drogie lub trudne do zdobycia.

Ale to wszystko należy do świata baseballu. Opinia publiczna najczęściej słyszy „ziemie rzadkie”, uważa, że to brzmi nieco przerażająco, i przechodzi dalej.

Dlatego istnieje wiele błędnych wyobrażeń na temat tego, czym właściwie są ziemie rzadkie i jak są wykorzystywane w pojazdach elektrycznych. Postaram się tu rozwiać niektóre z tych błędnych wyobrażeń, a następnie wyjaśnić, co dokładnie ogłosiła Tesla zeszłej nocy.

Czym są „ziemie rzadkie”?

W tabeli okresowej „pierwiastki ziem rzadkich” to te oznaczone na czerwono na poniższym obrazku – lantanidy, a także skand i jtr. W rzeczywistości nie są one aż tak rzadkie, przy czym neodym występuje w ilości około dwóch trzecich tej, jaką ma miedź.

Tutaj skupimy się przede wszystkim na neodymie, ponieważ jest on istotny dla samochodów elektrycznych. Wykorzystuje się go w silnych magnesach, dzięki czemu trafia do urządzeń elektronicznych wymagających mocnych, małych magnesów, takich jak głośniki, dyski twarde i silniki elektryczne. Dysproz, terb i praseodym są również powszechnie używane jako dodatki w magnesach neodymowych.

Jak pierwiastki ziem rzadkich są wykorzystywane w samochodach elektrycznych?

I rzeczywiście, żaden z tych elementów nie jest zwykle używany w bateriach litowo-jonowych. Zatem problemem nie jest tutaj bateria, lecz silnik. Silnik samochodu elektrycznego zawiera jedynie około 1 kg tych metali ziem rzadkich – bardzo mało na pojazd, ale dużo, gdy mówimy o produkcji masowej.

Ponadto metale ziem rzadkich nie są używane we wszystkich typach silników samochodów elektrycznych – Tesla wykorzystuje je w silnikach z trwałymi magnesami, ale nie w swoich silnikach indukcyjnych prądu przemiennego. Silniki indukcyjne prądu przemiennego wytwarzają pola magnetyczne za pomocą prądów elektrycznych, a nie fizycznego magnesu.

Początkowo Tesla używała w swoich pojazdach silników indukcyjnych prądu przemiennego, które nie wymagały metali ziem rzadkich. Właśnie stąd pochodzi nazwa firmy – Nikola Tesla był wynalazcą takich silników. Jednak gdy pojawił się Model 3, firma wprowadziła nowy silnik z trwałym magnesem i ostatecznie zaczęła używać ich również w innych swoich pojazdach.

Jakie jest nowe twierdzenie Tesli?

W 2023 roku Tesla ogłosiła, że będzie pracować nad stworzeniem silników elektrycznych z trwałymi magnesami, które nie będą wymagać metali ziem rzadkich. Prawdopodobnie oznaczało to, że Tesla bada możliwość użycia żelaznej ferrity lub aluminium-niklu-kobaltu do produkcji magnesów (chociaż to drugie rozwiązanie jedynie zastępuje jedne problemy z dostawą innymi). Istnieją inne materiały badawcze, ale prawdopodobnie są one zbyt małej skali dla celów Tesli.

Zeszłej nocy, podczas wydarzenia Tesla Cybercab, firma twierdziła, że Cybercab wykorzystuje nowy silnik, który jest o 18% mniejszy, o 25% lżejszy i bardziej wydajny niż inne silniki o najwyższych osiągach. Elon Musk, prezes Tesla, który nie był obecny na wydarzeniu, odpowiedział na Twitterze, dodając, że ten silnik nie zawiera metali ziem rzadkich.

Zatem dzisiejsze wiadomości mogą stanowić realizację celów Tesli dotyczących używania silników bez magnesów ziem rzadkich, ale bez działu komunikacji Tesli, do którego moglibyśmy zapytać o użyte materiały, sprawa pozostanie na razie niejasna.

Do tej pory widzieliśmy ten silnik tylko w Cybercabie, ale możliwe jest, że Tesla przeniesie go do innych pojazdów, tak jak zrobiła to przy przejściu na silniki z permanentnymi magnesami w Modelu 3, które później pojawiły się również w innych modelach Tesli.

Co do twierdzenia, że jest to „niezwykle trudne do osiągnięcia”, cóż, Musk mówi tak o wszystkim. Może rzeczywiście tak jest. Brawo Tesla za to osiągnięcie. Ale jaka praktyczna korzyść z tego wynika?

Dlaczego istotne są twierdzenia Tesli?

Wszystko to ma znaczenie, ponieważ silniki z permanentnymi magnesami zazwyczaj są bardziej wydajne i mniejsze od silników indukcyjnych, a oba te typy są oczywiście ważne dla producentów samochodów.

Cybercab uzyskał certyfikat potwierdzający zużycie 165Wh/mi, co czyni go najbardziej efektywnym samochodem elektrycznym na drogach. Dzieje się tak dzięki jego małym rozmiarom, nisko osadzonemu, aerodynamicznemu kształtowi, niewielkiej masie, konstrukcji dwuosobowej oraz, jak się wydaje, bardziej efektywnemu silnikowi elektrycznemu.

Jednak bardziej efektywne silniki elektryczne tak naprawdę nie mają większego znaczenia. Nawet najmniej efektywne silniki elektryczne używane w samochodach elektrycznych są już niezwykle wydajne, przekształcając 90% lub więcej dostarczonej energii na moment obrotowy.

Dlatego zwiększenie efektywności o kilka procent w rzeczywistości nie przyniesie żadnego znaczącego efektu na ogólną wydajność systemu. Należy zauważyć, że chociaż Tesla podała procentowe zmiany w rozmiarze i mocy, nie podała procentowego wzrostu efektywności – prawdopodobnie dlatego, że jest on stosunkowo niewielki.

Najważniejsze jest to, że jeśli Tesla zdoła stworzyć silnik z magnesem trwałym bez metali rzadkich, będzie mogła osiągnąć wymaganą gęstość mocy i umieścić go w małym pojeździe takim jak Cybercab, oszczędzając trochę miejsca tu i ówdzie, aby wszystko mogło być szczelnie upakowane. Nieustanna koncentracja na takich drobnych optymalizacjach jest tym, co umożliwia istnienie nadzwyczaj efektywnego pojazdu.

Zatem pakowanie i wydajność stanowią korzyść, a korzyść tę można włączyć do ogólnego planu dążenia do maksymalnej efektywności, choć prawdopodobnie można by ją osiągnąć również przy użyciu magnesów z metali rzadkich. Istnieje jednak jeszcze jeden powód, by usunąć metale rzadkie z silnika.

Dlaczego metale rzadkie są tak ważne?

Jednak wadą metali ziem rzadkich jest to, że mimo iż nie są aż tak rzadkie, nadal trudno je zdobyć. Dzieje się tak dlatego, że większość światowych zapasów tych elementów jest przetwarzana w jednym kraju – Chinach, co teoretycznie daje Chinom możliwość decydowania o tym, kto może z nich korzystać.

W dawnej paradygmacie wolnego handlu na świecie nie miało to zbyt wielkiego znaczenia – towary były po prostu towarami i można je było kupić u kogokolwiek, kto je miał. W tym przypadku to Chiny je posiadały.

Jednak koncentracja zasobów stała się szczególnie istotna w ciągu ostatniego roku, gdy Chiny zmęczyły się bzdurami wypowiadanymi przez senilnego zajmującego Biały Dom (którego największym indywidualnym sponsorem jest Musk) i postanowiły wprowadzić kontrole eksportowe nad przetwarzaniem metali ziem rzadkich.

Wszyscy wiedzieli, że może do tego dojść, dlatego Tesla i inne firmy od samego początku pracowały nad zmniejszeniem użycia metali rzadkich. Ale potem to się rzeczywiście wydarzyło (a Musk w pewnym stopniu przyczynił się do tego, faktycznie pomagając twojej firmie, przyjacielu), i nagle stało się o wiele pilniejsze, aby wszyscy znaleźli nowe źródła surowców wytwarzanych poza Chinami albo zmniejszyli ich użycie.

A więc… o jak poważną sprawę tu chodzi?

To właśnie pokazuje znaczenie tej wiadomości – nie ma ona związku z bateriami, nie wynika tak bardzo z skutków dla środowiska czy praw człowieka, chodzi o wzrost wydajności, choć niezbyt duży, i nie jest to żaden rewolucyjny przełom technologiczny, o którym nikt wcześniej nie pomyślał. To po prostu wdrożenie technologii, które są już od jakiegoś czasu znane, reagujące na problem, który ostatnio stał się jeszcze bardziej realny, w sposób, który przypuszczalnie może być skalowalny, jeśli Tesla kiedykolwiek zdecyduje się rozszerzyć jego zastosowanie poza około 45 pojazdów Cybercab, które firma obecnie zarejestrowała do użytku w Teksasie (i jesteśmy pewni, że to nastąpi).

To jest wiadomość i jest interesująca. Ale być może nie do końca przełomowa.