Новий електродвигун Tesla без рідкісних земель — це важлива подія, але не настільки вже й значна.

Окрім непомітної презентації Cybercab від Tesla цього тижня, компанія продемонструвала свій новий мотор Cybercab без рідкісних земель, який, за повідомленнями, значно підвищує щільність потужності та ефективність.

Це певне досягнення, але щоб зрозуміти, наскільки воно значне, спочатку потрібно зрозуміти, що все це насправді означає. Пристебніть ремені.

Багато говорилося про використання «рідкісних земель» у електромобілях. Але є проблема: багато хто, хто чув цей термін, не має уявлення про те, що таке «рідкісні землі», як вони використовуються та які наслідки має їхнє використання.

Інженери, які проектують ці продукти, звісно, знають про це. Їхня робота полягає у оптимізації будь-якої частини транспортного засобу, над якою вони працюють, і завжди є щось, що потрібно оптимізувати. А менеджери ланцюга постачання, які закуповують матеріали, що використовуються інженерами, тиснуть на них, щоб звести до мінімуму використання певних дорогих чи важкодоступних матеріалів.

Але все це — справа експертів. Громадськість здебільшого чує термін «редкоземельні метали», вважає, що це звучить трохи страшно, і переходить до наступного.

Таким чином, існує багато хибних уявлень щодо того, що таке редкоземельний метал насправді та як він використовується у електромобілях. Я спробую роз’яснити деякі з цих хибних уявлень, а потім пояснити, що саме оголосила компанія Tesla вчора ввечері.

Що таке «редкоземельний метал»?

У періодичній таблиці «элементи рідкісної землі» – це ті, що позначені червоним кольором на малюнку нижче: лантаноїди, а також скандій та ітрій. Насправді вони не є надто рідкісними, адже неодим є приблизно на дві третини поширенішим за мідь.

Саме на неодим ми зосередимося найбільше, оскільки він є ключовим для електромобілів. Його використовують у потужних магнітах, тож він потрапляє до електроніки, які потребують потужних, маленьких магнітів – наприклад, до динаміків, жорстких дисків та електродвигунів. Диспрозій, тербій та презодим також часто використовуються як домішки у неодимових магнітах.

Як використовуються елементи рідкісної землі в електромобілях?

І насправді жоден з цих елементів зазвичай не використовується у літій-іонних акумуляторах. Тож проблема не в акумуляторі, а у двигуні. У двигуні електромобіля міститься лише близько 1 кг цих елементів рідкісних земель – дуже мало на один транспортний засіб, але багато, якщо говорити про масове виробництво.

Крім того, елементи рідкісних земель не використовуються у всіх типах двигунів електромобілів – Tesla використовує їх у двигунах з постійними магнітами, але не у своїх двигунах зі струмом змінного поля. Двигуни зі струмом змінного поля створюють магнітні поля за допомогою електричних струмів, а не фізичних магнітів.

Спочатку компанія Tesla використовувала в своїх автомобілях двигуни зі струмом змінного поля, які не потребували елементів рідкісних земель. Саме тут і походить назва компанії – Нікола Тесла був винахідником таких двигунів. Однак після випуску Model 3 компанія запровадила нові двигуни з постійними магнітами та згодом почала використовувати їх також у інших своїх автомобілях.

Яке нове твердження Tesla?

У 2023 році Tesla оголосила, що працюватиме над створенням електродвигунів з постійними магнітами без використання елементів рідкісних земель. Це, ймовірно, передбачало використання залізного фериту чи алюмінію-нікелю-кобальту для магнітів (хоча останній варіант лише замінює одну групу проблем із постачанням на іншу). Існують ще інші матеріали для досліджень, але вони, ймовірно, занадто недостатньо розвинені для задоволення потреб Tesla.

Минулої ночі на заході Tesla Cybercab компанія стверджувала, що Cybercab використовує новий двигун, який на 18% менший за розміром, на 25% легший та ефективніший порівняно з іншими двигунами високої продуктивності. Генеральний директор Tesla Ілон Маск, який не був присутній на заході, у відповіді у Твіттері додав, що цей двигун не використовує метали рідкісних земель.

Отже, сьогоднішні новини можуть бути проявом зусиль Tesla щодо використання двигунів без магнітів з рідкісних земель, але оскільки у нас немає відділу комунікацій Tesla, до якого можна було б запитати про матеріали, що вони використовують, це питання залишається відкритим наразі.

Досі ми бачили цей двигун лише у Cybercab, але існує ймовірність, що Tesla перенесе його на інші автомобілі, як це було з переходом на двигуни з постійними магнітами у Model 3, які потім з’явилися й у інших моделях лінійки Tesla.

Щодо того, що це «надзвичайно складно досягти», то Маск так каже про все. Можливо, це справді складно. Варто відзначити Tesla за це досягнення. Але яку практичну користь ми від цього отримуємо?

Чому важлива заява Tesla?

Усе це має значення тому, що двигуни з постійними магнітами, як правило, є ефективнішими та меншими за розміром, ніж асинхронні двигуни, і обидва типи, безумовно, мають важливе значення для автовиробників.

Cybercab має сертифікат, який підтверджує споживання енергії 165 Вт·год/миль, що робить його найефективнішим електромобілем на дорогах. Це зумовлено його невеликими розмірами, аеродинамічним дизайном з низько розташованою поверхнею, невеликою вагою, двомісним форматом та, схоже, більш ефективним електродвигуном.

Але більш ефективні електродвигуни насправді не мають такого великого значення. Навіть найменш ефективні електродвигуни, використовувані в електромобілях, вже є надзвичайно ефективними, перетворюючи 90% або більше вхідної енергії на обертальний момент.

Тож додаткові кілька відсотків насправді не матимуть значного впливу на загальну ефективність системи. Зауважимо, наприклад, що хоча Tesla наводила відсоткові зміни у розмірах та потужності, вона не навела відсоткового покращення ефективності – ймовірно, тому що воно є відносно незначним.

Що ще важливіше, так це те, що якби Tesla змогла створити двигун з постійними магнітами без рідкісних земель, вона могла б досягти необхідної щільності потужності та розмістити його у невеликому автомобілі на кшталт Cybercab, звільнивши трохи простору тут і там, щоб усе компактно розмістити. Саме постійна увага до таких дрібних оптимізацій дозволяє створювати надефективні автомобілі.

Отже, компактність та ефективність є перевагами, які вписуються у загальну стратегію досягнення надвисокої ефективності, але їх, ймовірно, можна було б досягти і за допомогою магнітів на основі рідкісних земель. Проте існує ще одна причина виключити рідкісні землі з двигунів.

Чому рідкісні землі насправді мають значення?

Але недоліком рідкісних земель є те, що, попри те, що вони не є надто рідкісними, їх все одно важко отримати. Це тому, що більша частина світових запасів більшості елементів рідкісних земель переробляється в одній країні – Китаї, що теоретично надає Китаю можливість визначати, хто може їх використовувати.

У колишній парадигмі вільної торгівлі це не мало великого значення – сировина залишалась сировиною, і її можна було купити у будь-кого, хто її мав. У цьому випадку саме Китай її мав.

Але концентрація ресурсів стала особливо актуальною протягом останнього року, оскільки Китай втомився від нісенітниць, які йшли від „старечого зайця“ у Білому домі (найбільшого індивідуального спонсора Маска), та вирішив запровадити контроль над експортом продукції, отриманої з рідкісних земель.

Усі знали, що таке може трапитися, саме тому Tesla та інші компанії з самого початку працювали над скороченням використання рідкісних земель. Але потім це справді сталося (і Маск був однією з причин цього, насправді допоміг вашій компанії, друже), і раптово для всіх стало набагато більш терміновим або знайти нові джерела постачання, опрацьовані поза Китаєм, або скоротити своє використання.

То… наскільки серйозною є ця проблема?

Ось у чому суть цієї новини – вона не пов’язана з акумуляторами, не стільки через екологічні чи права людини, скільки з підвищенням ефективності, причому не надто значним. Це також не є якимось величезним технологічним проривом, про який раніше ніхто не думав. Це просто впровадження технологій, про які вже деякий час думають, у відповідь на проблему, яка нещодавно стала ще більш актуальною, у спосіб, який, ймовірно, можна масштабувати, якщо Tesla справді вирішить розширити його за межі приблизно 45 автомобілів Cybercab, зареєстрованих компанією для використання в Техасі (і ми впевнені, що це станеться).

Це новина, і вона цікава. Але, можливо, не зовсім кардинальна.