O que é o ímã misterioso de Tesla?

O dia do investidor da Tesla em 1º de março começou com um discurso incoerente e detalhado sobre energia e meio ambiente antes de passar para uma série de anúncios e exibições previsíveis. E então, do nada, veio uma bomba absoluta: "Projetamos nossa próxima unidade de acionamento, que usa um motor de ímã permanente, para não usar nenhum elemento de terras raras", declarou Colin Campbell, diretor de energia da Tesla. engenharia de trens.

Foi uma revelação impressionante que deixou a maioria dos especialistas em magnetismo permanente cautelosos e perplexos. Alexander Gabay, pesquisador da Universidade de Delaware, afirma categoricamente: "Sou cético de que qualquer ímã permanente de terras não raras possa ser usado em um motor de tração síncrona em um futuro próximo". E na Universidade de Uppsala, na Suécia, Alena Vishina, uma física, elabora: "Não tenho certeza se é possível usar apenas materiais livres de terras raras para fazer um motor poderoso e eficiente".

O problema aqui é a física, que nem Tesla consegue alterar.

E em uma recente conferência sobre magnetismo, Ping Liu, professor da Universidade do Texas, em Arlington, perguntou a outros pesquisadores o que eles achavam do anúncio de Tesla. "Ninguém entende isso completamente", relata ele. (Tesla não respondeu a um e-mail pedindo a elaboração do comentário de Campbell.)

As proezas técnicas da Tesla nunca devem ser subestimadas. Mas, por outro lado, a empresa - e, em particular, seu CEO - tem um histórico de fazer alegações sensacionalistas esporádicas que não dão certo (ainda estamos esperando pelo Modelo 3 de US$ 35.000, por exemplo).

O problema aqui é a física, que nem Tesla consegue alterar. O magnetismo permanente ocorre em certos materiais cristalinos quando os spins dos elétrons de alguns dos átomos do cristal são forçados a apontar na mesma direção. Quanto mais desses giros alinhados, mais forte o magnetismo. Para isso, os átomos ideais são aqueles que possuem elétrons desemparelhados enxameando ao redor do núcleo nos chamados orbitais 3d. Os topos são de ferro, com quatro elétrons 3d não pareados, e cobalto, com três.

Mas os elétrons 3D sozinhos não são suficientes para fazer ímãs superfortes. Como os pesquisadores descobriram décadas atrás, a força magnética pode ser muito melhorada adicionando à rede cristalina átomos com elétrons desemparelhados no orbital 4f – notadamente os elementos de terras raras neodímio, samário e disprósio. Esses elétrons 4f aprimoram uma característica da rede cristalina chamada anisotropia magnética - com efeito, eles promovem a aderência dos momentos magnéticos dos átomos às direções específicas na rede cristalina. Isso, por sua vez, pode ser explorado para alcançar alta coercividade, a propriedade essencial que permite que um ímã permanente permaneça magnetizado. Além disso, através de vários mecanismos físicos complexos, os elétrons 4f desemparelhados podem amplificar o magnetismo do cristal coordenando e estabilizando o alinhamento de spin dos elétrons 3d na rede.

Desde a década de 1980, um ímã permanente baseado em um composto de neodímio, ferro e boro (NdFeB) dominou as aplicações de alto desempenho, incluindo motores, smartphones, alto-falantes e geradores de turbinas eólicas. Um estudo de 2019 da Roskill Information Services, em Londres, descobriu que mais de 90% dos ímãs permanentes usados ​​em motores de tração automotiva eram NdFeB.

Então, se não são ímãs permanentes de terras raras para o próximo motor de Tesla, então de que tipo? Entre os especialistas dispostos a especular, a escolha foi unânime: ímãs de ferrite. Entre os ímãs permanentes de terras não raras inventados até agora, apenas dois estão em produção em larga escala: as ferritas e outro tipo chamado Alnico (alumínio, níquel e cobalto). A Tesla não vai usar Alnico, insistiram meia dúzia de especialistas contatados pelo IEEESpectrum. Esses ímãs são fracos e, mais importante, o suprimento mundial de cobalto é tão escasso que eles representam menos de 2% do mercado de ímãs permanentes.

Há mais de uma pontuação de ímãs permanentes que não usam elementos de terras raras ou não usam muitos deles. Mas nenhum deles causou impacto fora do laboratório.