Qual è il magnete misterioso di Tesla?

L'Investor Day di Tesla, il 1° marzo, è iniziato con un discorso sconclusionato e dettagliato su energia e ambiente prima di passare a una serie di annunci e vantazioni per lo più prevedibili. E poi, dal nulla, è arrivata una bomba assoluta: "Abbiamo progettato la nostra prossima unità di azionamento, che utilizza un motore a magnete permanente, in modo da non utilizzare alcun elemento delle terre rare", ha dichiarato Colin Campbell, direttore del settore energetico di Tesla. ingegneria dei treni.

È stata una scoperta sorprendente che ha lasciato la maggior parte degli esperti di magnetismo permanente diffidenti e perplessi. Alexander Gabay, ricercatore presso l'Università del Delaware, afferma categoricamente: "Sono scettico sul fatto che qualsiasi magnete permanente non costituito dalle terre rare possa essere utilizzato in un motore di trazione sincrono nel prossimo futuro". E all'Università di Uppsala, in Svezia, Alena Vishina, fisica, spiega: "Non sono sicura che sia possibile utilizzare solo materiali privi di terre rare per realizzare un motore potente ed efficiente".

Il problema qui è la fisica, che nemmeno Tesla può alterare.

E in una recente conferenza sul magnetismo Ping Liu, professore all'Università del Texas, ad Arlington, ha chiesto ad altri ricercatori cosa pensassero dell'annuncio di Tesla. "Nessuno lo capisce appieno", riferisce. (Tesla non ha risposto a un'e-mail in cui si chiedeva l'elaborazione del commento di Campbell.)

L'abilità tecnica di Tesla non dovrebbe mai essere sottovalutata. Ma d'altra parte, l'azienda - e in particolare il suo CEO - ha una storia di sporadiche affermazioni sensazionali che non hanno successo (stiamo ancora aspettando quel Model 3 da 35.000 dollari, per esempio).

Il problema qui è la fisica, che nemmeno Tesla può alterare. Il magnetismo permanente si verifica in alcuni materiali cristallini quando gli spin degli elettroni di alcuni atomi nel cristallo sono costretti a puntare nella stessa direzione. Maggiore è il numero di questi giri allineati, più forte è il magnetismo. Per questo, gli atomi ideali sono quelli che hanno elettroni spaiati che sciamano attorno al nucleo in quelli che sono noti come orbitali 3d. Le parti superiori sono ferro, con quattro elettroni 3d spaiati, e cobalto, con tre.

Ma gli elettroni 3D da soli non sono sufficienti per creare magneti superpotenti. Come i ricercatori hanno scoperto decenni fa, la forza magnetica può essere notevolmente migliorata aggiungendo al reticolo cristallino atomi con elettroni spaiati nell’orbitale 4f, in particolare gli elementi delle terre rare neodimio, samario e disprosio. Questi elettroni 4f migliorano una caratteristica del reticolo cristallino chiamata anisotropia magnetica: in effetti, promuovono l'adesione dei momenti magnetici degli atomi alle direzioni specifiche nel reticolo cristallino. Ciò, a sua volta, può essere sfruttato per ottenere un’elevata coercività, la proprietà essenziale che consente a un magnete permanente di rimanere magnetizzato. Inoltre, attraverso diversi meccanismi fisici complessi, gli elettroni 4f spaiati possono amplificare il magnetismo del cristallo coordinando e stabilizzando l'allineamento dello spin degli elettroni 3d nel reticolo.

Dagli anni ’80, un magnete permanente basato su un composto di neodimio, ferro e boro (NdFeB) ha dominato le applicazioni ad alte prestazioni, tra cui motori, smartphone, altoparlanti e generatori di turbine eoliche. Uno studio del 2019 condotto da Roskill Information Services, a Londra, ha rilevato che oltre il 90% dei magneti permanenti utilizzati nei motori di trazione automobilistica erano NdFeB.

Quindi, se non i magneti permanenti in terre rare per il prossimo motore di Tesla, allora di che tipo? Tra gli esperti disposti a speculare, la scelta è stata unanime: magneti in ferrite. Tra i magneti permanenti non appartenenti alle terre rare inventati finora, solo due sono in produzione su larga scala: le ferriti e un altro tipo chiamato Alnico (alluminio nichel cobalto). Tesla non utilizzerà Alnico, hanno insistito una mezza dozzina di esperti contattati da IEEESpectrum. Questi magneti sono deboli e, cosa più importante, l’offerta mondiale di cobalto è così ricca che costituiscono meno del 2% del mercato dei magneti permanenti.

Esistono più di una ventina di magneti permanenti che non utilizzano elementi delle terre rare o non ne utilizzano molti. Ma nessuno di questi ha avuto un impatto al di fuori del laboratorio.