Что такое загадочный магнит Теслы?

День инвестора Tesla 1 марта начался с бессвязного и подробного обсуждения вопросов энергетики и окружающей среды, а затем перешел в серию в основном предсказуемых объявлений и хвастовств. И затем, откуда ни возьмись, разразилась настоящая бомба: «Мы разработали наш следующий привод, в котором используется двигатель с постоянными магнитами, чтобы вообще не использовать какие-либо редкоземельные элементы», — заявил Колин Кэмпбелл, директор по энергетике Tesla. поездное машиностроение.

Это было ошеломляющее открытие, которое оставило большинство экспертов в области постоянного магнетизма настороженными и озадаченными. Александр Габай, исследователь из Университета Делавэра, категорически заявляет: «Я скептически отношусь к тому, что любой нередкоземельный постоянный магнит может быть использован в синхронном тяговом двигателе в ближайшем будущем». А в Уппсальском университете в Швеции физик Алена Вишина уточняет: «Я не уверена, что можно использовать только материалы, не содержащие редкоземельных элементов, для создания мощного и эффективного двигателя».

Проблема здесь в физике, которую не может изменить даже Тесла.

А на недавней конференции по магнетизму Пин Лю, профессор Техасского университета в Арлингтоне, спросил других исследователей, что они думают о заявлении Теслы. «Никто до конца этого не понимает», - сообщает он. (Tesla не ответила на электронное письмо с просьбой разъяснить комментарий Кэмпбелла.)

Техническое мастерство Теслы никогда не следует недооценивать. Но с другой стороны, компания – и в частности ее генеральный директор – имеет историю спорадических сенсационных заявлений, которые не оправдываются (например, мы все еще ждем модель 3 за 35 000 долларов США).

Проблема здесь в физике, которую не может изменить даже Тесла. Постоянный магнетизм возникает в некоторых кристаллических материалах, когда спины электронов некоторых атомов в кристалле вынуждены указывать в одном направлении. Чем больше таких выровненных спинов, тем сильнее магнетизм. Для этого идеальные атомы — это атомы, у которых неспаренные электроны кружатся вокруг ядра на так называемых 3d-орбиталях. Вершины — железо с четырьмя неспаренными 3d-электронами и кобальт с тремя.

Но одних 3d-электронов недостаточно для создания сверхсильных магнитов. Как исследователи обнаружили десятилетия назад, магнитную силу можно значительно улучшить, добавив в кристаллическую решетку атомы с неспаренными электронами на 4f-орбитали, в частности редкоземельные элементы: неодим, самарий и диспрозий. Эти 4f-электроны усиливают характеристику кристаллической решетки, называемую магнитной анизотропией — по сути, они способствуют привязке магнитных моментов атомов к определенным направлениям в кристаллической решетке. Это, в свою очередь, можно использовать для достижения высокой коэрцитивной силы — важнейшего свойства, которое позволяет постоянному магниту оставаться намагниченным. Кроме того, посредством нескольких сложных физических механизмов неспаренные 4f-электроны могут усиливать магнетизм кристалла, координируя и стабилизируя спиновое выравнивание 3d-электронов в решетке.

С 1980-х годов постоянный магнит на основе соединения неодима, железа и бора (NdFeB) доминирует в высокопроизводительных приложениях, включая двигатели, смартфоны, громкоговорители и ветряные генераторы. Исследование Roskill Information Services в Лондоне, проведенное в 2019 году, показало, что более 90 процентов постоянных магнитов, используемых в автомобильных тяговых двигателях, представляют собой NdFeB.

Итак, если не редкоземельные постоянные магниты для следующего двигателя Теслы, то какие? Среди экспертов, желающих порассуждать, выбор был единогласным: ферритовые магниты. Среди изобретенных на данный момент нередкоземельных постоянных магнитов только два находятся в крупномасштабном производстве: ферриты и еще один тип, называемый альнико (алюминий, никель, кобальт). Tesla не собирается использовать Alnico, настаивают полдюжины экспертов, с которыми связался IEEESpectrum. Эти магниты слабы, и, что более важно, мировые поставки кобальта настолько ограничены, что они составляют менее 2 процентов рынка постоянных магнитов.

Существует более двадцати постоянных магнитов, в которых редкоземельные элементы не используются или в них используется мало. Но ни одно из них не оказало влияния за пределами лаборатории.