Новый электродвигатель Tesla без редкоземельных металлов — это важное событие, но не настолько уж и важное.

Помимо скромного мероприятия Tesla Cybercab, состоявшегося на этой неделе, компания продемонстрировала свой новый двигатель Cybercab без редкоземельных металлов, который, по сообщениям, значительно повышает плотность мощности и эффективность.

Это своего рода достижение, но чтобы понять, насколько оно значимо, сначала необходимо разобраться, что это на самом деле означает. Пристегнитесь.

Много говорилось об использовании «редкоземельных металлов» в электромобилях. Однако есть проблема: многие, кто слышал этот термин, не имеют понятия, что такое «редкоземельные металлы», как они используются и каковы последствия их применения.

Инженеры, разрабатывающие эти продукты, конечно же знают обо всем этом. Их задача — оптимизировать любую часть транспортного средства, над которой они работают, и всегда есть что-то, что можно улучшить. А менеджеры по цепочке поставок, закупающие материалы, используемые инженерами, оказывают на них давление с целью минимизации использования определенных дорогих или труднодоступных материалов.

Но все это — внутренние аспекты индустрии. Общественность в основном слышит термин «редкие земли», считает его чем-то пугающим и переходит к другим вопросам.

Поэтому существует множество заблуждений относительно того, что такое редкие земли и как они используются в электромобилях. Я попытаюсь прояснить некоторые из этих заблуждений и затем объяснить, что на самом деле объявила компания Tesla вчера вечером.

Что такое «редкие земли»?

В периодической таблице «элементы редкоземельного металла» — это те, что показаны красным цветом на приведённом ниже изображении: лантаноиды, а также скандий и итрий. На самом деле они не являются чрезмерно редкими; например, содержание неодима примерно в два раза выше, чем у меди.

Здесь мы сосредоточимся в основном на неодиме, поскольку именно он имеет значение для электромобилей. Он используется в мощных магнитах, поэтому применяется в электронике, требующей мощных крошечных магнитов, такой как колонки, жёсткие диски и электродвигатели. Диспрозий, тербий и презодим также часто используются в качестве добавок в неодимовые магниты.

Как используются редкоземельные металлы в электромобилях?

На самом деле ни один из этих элементов обычно не используется в литий-ионных аккумуляторах. Следовательно, проблема не в аккумуляторе, а в двигателе. В двигателях электромобилей содержится примерно 1 кг этих редкоземельных элементов — очень мало на один автомобиль, но много при массовом производстве.

Кроме того, редкоземельные элементы не используются во всех типах двигателей электромобилей — Tesla применяет их в двигателях с постоянными магнитами, но не в своих двигателях с частотным преобразованием. Двигатели с частотным преобразованием создают магнитные поля с помощью электрических токов, а не физических магнитов.

Изначально компания Tesla использовала в своих автомобилях двигатели с постоянным током на основе индукции, которые не требовали редкоземельных элементов. Именно отсюда и произошло название компании — Никола Тесла был изобретателем таких двигателей. Однако с появлением модели Model 3 компания ввела новые двигатели с постоянными магнитами и в конечном итоге начала использовать их также в других своих автомобилях.

В чем новое заявление Tesla?

В 2023 году Tesla объявила о намерении разработать электродвигатели с постоянными магнитами без использования редкоземельных элементов. Вероятно, для этого компания рассматривала возможность применения железной феритовой или алюминиево-никель-кобальтовой субстанции в качестве магнитов (хотя последний вариант лишь заменяет одну группу проблем с поставками на другую). Существуют и другие материалы для исследований, но они, скорее всего, слишком маломасштабны для реализации планов Tesla.

Вчера вечером на мероприятии Tesla Cybercab компания заявила, что в Cybercab используется новый двигатель, который на 18% меньше по размерам, на 25% легче и более эффективен по сравнению с другими высокопроизводительными приводными устройствами. Генеральный директор Tesla Илон Маск, который не присутствовал на мероприятии, ответил в Твиттере, добавив, что этот двигатель не содержит редкоземельных металлов.

Таким образом, сегодняшние новости могут ознаменовать реализацию усилий Tesla по созданию двигателей без редкоземельных магнитов, но из-за отсутствия отдела коммуникаций Tesla, у которого мы могли бы спросить о используемых материалах, вопрос пока остается открытым.

Пока что мы видели этот двигатель только в Cybercab, но возможно, Tesla перенесет его и на другие автомобили, как это уже было с переходом на двигатели с постоянными магнитами в модели Model 3, которые затем появились и в других моделях бренда.

Что касается утверждения о том, что это «чрезвычайно сложно осуществить», то Маск так говорит о всем. Возможно, действительно сложно. Респект Tesla за это достижение. Но какая практическая польза от этого?

Почему важны заявления Tesla?

Все это важно потому, что двигатели с постоянными магнитами, как правило, более эффективны и компактны по сравнению с асинхронными двигателями, что, безусловно, имеет большое значение для производителей автомобилей.

Cybercab сертифицирован как автомобиль, потребляющий 165 Вт·ч на милю, что делает его самым эффективным электромобилем на дорогах. Это обусловлено его небольшими размерами, аэродинамичным дизайном с низкой посадкой, небольшим весом, двухместной конструкцией, а также, по-видимому, более эффективным электродвигателем.

Однако более эффективные электродвигатели на самом деле не играют такой уж большой роли. Даже самые неэффективные электродвигатели, используемые в электромобилях, уже обладают высокой эффективностью, преобразуя 90% или более входной энергии в крутящий момент.

Поэтому незначительное увеличение эффективности на несколько процентов на самом деле не принесет значительного улучшения общей эффективности системы. Например, стоит отметить, что хотя Tesla указала процентные изменения в размерах и мощности, она не привела процентное улучшение эффективности — вероятно, потому что оно относительно незначительно.

Более важно то, что если Tesla сможет создать двигатель с постоянными магнитами без использования редкоземельных элементов, она сможет добиться необходимой плотности мощности и разместить его в небольшом автомобиле, таком как Cybercab, освободив немного места здесь и там, чтобы всё компактно уместилось. Постоянная работа над подобными мелкими оптимизациями — именно то, что позволяет создавать чрезвычайно эффективные транспортные средства.

Таким образом, компактность и эффективность являются преимуществами, которые вписываются в общую стратегию достижения максимальной эффективности, но их, вероятно, можно было бы достичь и с использованием магнитов на основе редкоземельных элементов. Однако существует ещё одна причина для исключения редкоземельных элементов из двигателей.

Почему редкоземельные элементы действительно важны?

Но недостаток редкоземельных металлов заключается в том, что, несмотря на то, что они и не являются чрезмерно редкими, их всё равно трудно получить. Это связано с тем, что большая часть мировых запасов большинства редкоземельных элементов обрабатывается в одной стране — Китае, что теоретически даёт Китаю возможность определять, кто имеет право их использовать.

В прежней парадигме мировой свободной торговли это не имело особого значения — сырьё оставалось сырьём, и его можно было купить у кого угодно, у кого оно было. В данном случае именно Китай им обладал.

Однако концентрация ресурсов стала особенно актуальной в течение прошлого года, когда Китай устал от абсурдных заявлений стареющего правителя Белого дома (которого Маск является крупнейшим индивидуальным спонсором) и решил ввести контроль за экспортом продукции, полученной из редкоземельных металлов.

Все знали, что подобное может произойти, именно поэтому Tesla и другие компании с самого начала работали над сокращением использования редкоземельных металлов. Но потом это действительно случилось (и Маск в некоторой степени способствовал этому, действительно помог своей компании, приятель), и вдруг для всех стало гораздо более срочным либо найти новые источники поставок, обработанные за пределами Китая, либо сократить их использование.

Итак… насколько серьезной является эта проблема?

Вот в чём суть этой новости – она не связана с аккумуляторами, не столько с экологическими или правозащитными аспектами, сколько с повышением эффективности, причём не таким уж значительным. Это также не какое-то кардинальное технологическое прорыв, о котором раньше никто не думал. Это просто применение технологий, над которыми уже давно размышляли, в ответ на проблему, которая в последнее время стала ещё более актуальной, причём, предположительно, такой подход можно масштабировать, если компания Tesla действительно решит расширить его за пределы примерно 45 автомобилей Cybercab, зарегистрированных на данный момент для использования в Техасе (и мы уверены, что она это сделает).

Это новость, и она интересная. Но, возможно, не совсем революционная.