بدأ يوم المستثمر في تسلا في الأول من مارس بخطاب مفصل ومتجول حول الطاقة والبيئة قبل الانتقال إلى سلسلة من الإعلانات والتفاخر التي يمكن التنبؤ بها في الغالب. وبعد ذلك ، من العدم ، ظهرت قنبلة مطلقة: “لقد صممنا وحدة القيادة التالية ، التي تستخدم محركًا مغناطيسيًا دائمًا ، لعدم استخدام أي عناصر أرضية نادرة على الإطلاق ،” صرح كولين كامبل ، مدير قطار الطاقة في Tesla هندسة.
لقد كان كشفًا مذهلاً ، مما جعل معظم الخبراء في المغناطيسية الدائمة حذرين ومحيرين. يقول ألكسندر جاباي ، الباحث في جامعة ديلاوير ، بشكل قاطع: “إنني متشكك في إمكانية استخدام أي مغناطيس دائم غير أرضي نادر في محرك جر متزامن في المستقبل القريب.” وفي جامعة أوبسالا في السويد ، توضح ألينا فيشينا ، عالمة الفيزياء ، “لست متأكدًا من أنه من الممكن استخدام المواد النادرة الخالية من الأرض فقط لصنع محرك قوي وفعال.”
المشكلة هنا هي الفيزياء ، التي لا يستطيع حتى تسلا تغييرها.
وفي مؤتمر مغناطيسي عُقد مؤخرًا ، سأل بينج ليو ، الأستاذ بجامعة تكساس في أرلينغتون ، باحثين آخرين عن رأيهم في إعلان تيسلا. يقول: “لا أحد يفهم هذا تمامًا”. (لم ترد تسلا على رسالة بريد إلكتروني تطلب توضيح تعليق كامبل).
لا ينبغي الاستهانة ببراعة تسلا الفنية. ولكن من ناحية أخرى ، فإن الشركة – وعلى وجه الخصوص ، الرئيس التنفيذي لها – لها تاريخ في تقديم ادعاءات مثيرة متفرقة لا يمكن تحقيقها (ما زلنا ننتظر نموذج 3 البالغ 35000 دولار ، على سبيل المثال).
المشكلة هنا هي الفيزياء ، التي لا يستطيع حتى تسلا تغييرها. تحدث المغناطيسية الدائمة في بعض المواد البلورية عندما تضطر لفات إلكترونات بعض الذرات في البلورة إلى الاتجاه في نفس الاتجاه. وكلما زاد عدد هذه الدورات المحاذاة ، زادت قوة المغناطيسية. لهذا ، فإن الذرات المثالية هي تلك التي تحتوي على إلكترونات غير متزاوجة تتجمع حول النواة في ما يعرف بالمدارات ثلاثية الأبعاد. القمم من الحديد ، مع أربعة إلكترونات ثلاثية الأبعاد غير مزاوجة ، وكوبالت ، مع ثلاثة.
لكن الإلكترونات ثلاثية الأبعاد وحدها لا تكفي لصنع مغناطيسات فائقة القوة. كما اكتشف الباحثون منذ عقود ، يمكن تحسين القوة المغناطيسية بشكل كبير عن طريق إضافة إلكترونات غير متزاوجة إلى ذرات الشبكة البلورية في المدار 4f – ولا سيما العناصر الأرضية النادرة النيوديميوم والسماريوم والديسبروسيوم. تعزز هذه الإلكترونات 4f خاصية من خصائص الشبكة البلورية المسماة التباين المغناطيسي – وهي في الواقع تعزز التزام اللحظات المغناطيسية للذرات بالاتجاهات المحددة في الشبكة البلورية. ويمكن استغلال ذلك بدوره لتحقيق درجة عالية من الإكراه ، وهي الخاصية الأساسية التي تسمح للمغناطيس الدائم بالبقاء ممغنطًا. أيضًا ، من خلال العديد من الآليات الفيزيائية المعقدة ، يمكن للإلكترونات غير المزدوجة 4f تضخيم مغناطيسية البلورة عن طريق تنسيق وتثبيت محاذاة الدوران للإلكترونات ثلاثية الأبعاد في الشبكة.
منذ الثمانينيات ، سيطر مغناطيس دائم يعتمد على مركب من النيوديميوم والحديد والبورون (NdFeB) على التطبيقات عالية الأداء ، بما في ذلك المحركات والهواتف الذكية ومكبرات الصوت ومولدات توربينات الرياح. وجدت دراسة أجرتها شركة Roskill Information Services في لندن عام 2019 أن أكثر من 90 بالمائة من المغناطيس الدائم المستخدم في محركات جر السيارات كانت NdFeB.
إذا لم يكن المغناطيس الدائم الأرضي النادر لمحرك تسلا التالي ، فما هو نوعه؟ من بين الخبراء الراغبين في التكهن ، كان الاختيار بالإجماع: مغناطيس الفريت. من بين المغناطيسات الدائمة غير الأرضية النادرة التي تم اختراعها حتى الآن ، يوجد اثنان فقط في الإنتاج على نطاق واسع: الفريت ونوع آخر يسمى ألنيكو (ألومنيوم نيكل كوبالت). لن تستخدم Tesla Alnico ، ستة خبراء اتصلوا بهم نطاق أصر على. هذه المغناطيسات ضعيفة ، والأهم من ذلك ، أن المعروض العالمي من الكوبالت محفوف بالمخاطر لدرجة أنها تشكل أقل من 2 في المائة من سوق المغناطيس الدائم.
هناك أكثر من درجة من المغناطيسات الدائمة التي لا تستخدم أو لا تستخدم الكثير من العناصر الأرضية النادرة. لكن لم يكن لأي منها تأثير خارج المختبر.
تعتبر مغناطيسات الفريت ، التي تعتمد على شكل من أشكال أكسيد الحديد ، رخيصة الثمن وتمثل ما يقرب من 30 في المائة من سوق المغناطيس الدائم من خلال المبيعات. لكنها أيضًا ضعيفة (أحد الاستخدامات الرئيسية هو إغلاق أبواب الثلاجة). أحد مؤشرات الأداء الرئيسية للمغناطيس الدائم هو إنتاجه الأقصى للطاقة ، ويقاس بوحدات megaGauss Oersteds (MGOe). إنه يعكس قوة المغناطيس بالإضافة إلى قهره. بالنسبة لنوع NdFeB الذي يشيع استخدامه في محركات جر السيارات ، تكون هذه القيمة عمومًا حوالي 35 MGOe. للحصول على أفضل مغناطيسات الفريت ، يكون حوالي 4.
يقول دانيال سالازار جاراميلو ، باحث مغناطيسي في مركز الباسك للمواد والتطبيقات والبنى النانوية: “حتى إذا حصلت على أفضل مغناطيس الفريت أداءً ، فسيكون لديك أداء أقل من خمس إلى عشر مرات من النيوديميوم والحديد والبورون”. إسبانيا. مقارنةً بمحرك متزامن مبني بمغناطيس NdFeB ، فإن المحرك الذي يعتمد على مغناطيس الفريت سيكون أكبر وأثقل بكثير ، أو أضعف بكثير ، أو مزيج من الاثنين.
من المؤكد أن هناك أكثر من درجة من المغناطيسات الدائمة الأخرى التي لا تستخدم أو لا تستخدم الكثير من العناصر الأرضية النادرة. لكن لم يكن لأي منها تأثير خارج المختبر. تتضمن قائمة السمات اللازمة لمغناطيس دائم ناجح تجاريًا قوة مجال عالية ، وقوة عالية ، وتحمل درجات الحرارة المرتفعة ، وقوة ميكانيكية جيدة ، وسهولة التصنيع ، وعدم الاعتماد على العناصر النادرة أو السامة ، أو الإشكالية لسبب آخر . . فشل جميع المرشحين اليوم في تحديد واحد أو أكثر من هذه المربعات.
مغناطيس نيتريد الحديد ، مثل هذا من شركة Niron Magnetics الناشئة ، هو من بين أكثر المحصول الواعد للمغناطيسات الدائمة التي لا تستخدم العناصر الأرضية النادرة.مغناطيس نيرون
يقول بعض الباحثين ، لكن امنحها بضع سنوات أخرى ، ويمكن لواحدة أو اثنتين من هذه النجاحات. من بين الواعدة: نيتريد الحديد ، Fe16ن2. شركة ناشئة في مينيابوليس ، Niron Magnetics ، تقوم الآن بتسويق التكنولوجيا الرائدة بتمويل من ARPA-E بواسطة Jian Ping Wang في جامعة مينيسوتا في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين ، بعد عمل سابق في Hitachi. قال نائب الرئيس التنفيذي لنيرون ، آندي بلاكبيرن نطاق تعتزم الشركة تقديم أول منتج لها في أواخر عام 2024. تقول بلاكبيرن إنها ستكون مغناطيسًا دائمًا بمنتج طاقة أعلى من 10 MGOe ، والتي تتوقع تطبيقاتها في مكبرات الصوت وأجهزة الاستشعار ، من بين أمور أخرى. إذا نجح ، فسيكون أول مغناطيس دائم تجاري جديد منذ NdFeB ، قبل 40 عامًا ، وأول مغناطيس دائم تجاري غير نادر من الأرض منذ السترونتيوم الفريت ، أفضل نوع حديدي ، منذ 60 عامًا.
سيتبع عرض Niron الأول في عام 2025 بمغناطيس بمنتج طاقة أعلى من 30 MGOe ، وفقًا لبلاكبيرن. لهذا قام بتنبؤ جريء إلى حد ما: “سيكون له تدفق جيد أو أفضل من النيوديميوم. سيكون لديه قوة الفريت ، وسيكون له معاملات درجة حرارة الكوبالت الساماريوم ”- أفضل من NdFeB. إذا تمكن المغناطيس حقًا من الجمع بين كل هذه السمات (إذا كان كبيرًا) ، فسيكون مناسبًا جدًا للاستخدام في محركات الجر للسيارات الكهربائية.
ويعلن بلاكبيرن أنه سيكون هناك المزيد في المستقبل. يقول: “كل هذه القدرات الهندسية النانوية الجديدة سمحت لنا بابتكار مواد كان من المستحيل صنعها قبل 20 عامًا”.
من مقالات موقعك
مقالات ذات صلة حول الويب
