テスラの謎の磁石とは何ですか?

3月1日のテスラの投資家日は、エネルギーと環境に関するとりとめのない詳細な講演で始まり、その後、ほぼ予想通りの一連の発表と自慢に移行した。 そしてどこからともなく、絶対的な爆弾発言が飛び出した。「永久磁石モーターを使用する次の駆動ユニットは、希土類元素を一切使用しないように設計した」とテスラの電源担当ディレクター、コリン・キャンベルは宣言した。鉄道工学。

これは驚くべき開示であり、永久磁気の専門家のほとんどが警戒し当惑した。 デラウェア大学の研究者アレクサンダー・ガバイ氏は、「近い将来、非希土類永久磁石が同期トラクションモーターに使用できるかどうかは懐疑的だ」ときっぱり述べている。 また、スウェーデンのウプサラ大学の物理学者アレナ・ヴィシーナ氏は、「レアアースを含まない材料だけを使って強力で効率的なモーターを作ることが可能かどうかはわかりません」と詳しく述べている。

ここでの問題は物理学であり、テスラですら変えることはできません。

そして最近の磁気学会で、テキサス大学アーリントンのピン・リュー教授は他の研究者にテスラの発表についてどう思うか尋ねた。 「これを完全に理解している人は誰もいません」と彼は報告する。 （テスラはキャンベル氏のコメントの詳細を求める電子メールに応じなかった。）

テスラの技術力を決して過小評価してはなりません。 しかしその一方で、同社、特にそのCEOは、散発的にセンセーショナルな主張をしたが、結果は出なかったという歴史を持っている（たとえば、私たちはまだその3万5000ドルのModel 3を待っている）。

ここでの問題は物理学であり、テスラですら変えることはできません。 永久磁気は、結晶内の一部の原子の電子のスピンが同じ方向を向く場合に、特定の結晶材料で発生します。 これらの整列したスピンの数が多いほど、磁性は強くなります。 このため、理想的な原子は、いわゆる 3d 軌道で原子核の周りに群がっている不対電子を持つ原子です。 上部は 4 つの 3d 不対電子を含む鉄、3 つを含むコバルトです。

しかし、3D 電子だけでは超強力な磁石を作るのに十分ではありません。 研究者らが数十年前に発見したように、結晶格子原子に4f軌道の不対電子、特​​に希土類元素であるネオジム、サマリウム、ジスプロシウムを加えることで、磁気強度が大幅に向上する可能性がある。 これらの 4f 電子は、磁気異方性と呼ばれる結晶格子の特性を強化します。実際、原子の磁気モーメントが結晶格子内の特定の方向に付着するのを促進します。 これを利用して、永久磁石を磁化したままにするために不可欠な特性である高い保磁力を達成することができます。 また、いくつかの複雑な物理的メカニズムを通じて、不対の 4f 電子は格子内の 3d 電子のスピン配列を調整し安定させることによって結晶の磁性を増幅することができます。

1980 年代以来、ネオジム、鉄、ホウ素の化合物 (NdFeB) をベースにした永久磁石が、モーター、スマートフォン、スピーカー、風力タービン発電機などの高性能用途を支配してきました。 ロンドンのロスキル情報サービスによる2019年の調査では、自動車のトラクションモーターに使用されている永久磁石の90パーセント以上がNdFeBであることが判明した。

それでは、テスラの次期モーター用の永久磁石が希土類永久磁石ではないとしたら、どのようなものでしょうか? 推測に積極的な専門家の間では、フェライト磁石を選択するという意見が満場一致でした。 これまでに発明された非希土類永久磁石のうち、大規模生産されているのはフェライトとアルニコ (アルミニウム ニッケル コバルト) と呼ばれる別のタイプの 2 つだけです。 IEEESpectrumが接触した6人の専門家は、テスラはアルニコを使用するつもりはないと主張した。 これらの磁石は弱く、さらに重要なことに、コバルトの世界供給量は非常に多く、永久磁石市場の 2% 未満を占めています。

希土類元素をまったく使用していない、またはほとんど使用していない永久磁石は十数種類あります。 しかし、これらはどれも研究室の外には影響を与えていません。

酸化鉄をベースにしたフェライト磁石は安価で、売上高で永久磁石市場の 30% 近くを占めます。 しかし、それらも弱いです（主な用途の 1 つは冷蔵庫のドアを閉めておくことです）。 永久磁石の重要な性能指標は、メガガウス エルステッド (MGOe) で測定される最大エネルギー積です。 磁石の強さと保磁力の両方を反映します。 自動車のトラクションモーターで一般的に使用されるタイプの NdFeB の場合、この値は通常約 35 MGOe です。 最高のフェライト磁石の場合、約 4 です。

バスク材料・応用・ナノ構造センターの磁気研究者ダニエル・サラザール・ハラミロ氏は、「たとえ最高の性能のフェライト磁石を入手したとしても、その性能はネオジム・鉄・ボロンの約5～10分の1だ」と述べている。スペイン。 したがって、NdFeB 磁石で作られた同期モーターと比較して、フェライト磁石をベースにした同期モーターははるかに大きくて重くなり、はるかに弱いか、またはその 2 つの組み合わせになります。

確かに、希土類元素をまったく使用していないか、ほとんど使用していない永久磁石は他にも多数あります。 しかし、これらはどれも研究室の外には影響を与えていません。 商業的に成功する永久磁石に必要な属性のリストには、高い磁界強度、高い保磁力、高温耐性、優れた機械的強度、製造の容易さ、および何らかの理由で希少、有毒、または問題のある元素に依存しないことが含まれます。 。 今日の候補者は全員、これらのボックスの 1 つ以上にチェックを入れていません。

新興企業 Niron Magnetics のこのような窒化鉄磁石は、希土類元素を使用しない永久磁石の新興作物の中で最も有望なものの 1 つです。Niron Magnetics

しかし、あと数年待てば、そのうちの1つか2つが突破口を開く可能性は十分にあると一部の研究者は言う。 最も有望なものとしては、窒化鉄、Fe16N2 があります。 ミネアポリスの新興企業 Niron Magnetics は、日立での勤務を経て、2000 年代初頭にミネソタ大学の Jian Ping Wang 氏が ARPA-E からの資金提供を受けて開発したテクノロジーを現在商業化しています。 Niron の執行副社長、Andy Blackburn 氏は Spectrum に対し、同社は 2024 年後半に最初の製品を発表する予定であると語った。Blackburn 氏は、それは 10 MGOe を超えるエネルギー積を持つ永久磁石になると述べ、特にラウドスピーカーやセンサーへの応用を期待していると述べた。その他。 これが成功すれば、40年前のNdFeB以来の新しい商用永久磁石となり、60年前の最高のフェライトタイプであるストロンチウムフェライト以来の非希土類永久磁石の商用化となる。

ブラックバーンによると、ニロンの最初の製品に続いて、2025年には30MGOeを超えるエネルギー製品を備えた磁石が発売される予定だという。 これについて彼は、かなり大胆な予測を立てています。「ネオジムと同等かそれ以上の磁束を持ちます。フェライトの保磁力を持ち、サマリウムコバルトの温度係数を持ちます。」つまり、NdFeB よりも優れています。 もし磁石が本当にこれらの特性をすべて組み合わせることができれば (大きな仮定ですが)、電気自動車のトラクション モーターでの使用に非常に適しているでしょう。

今後もさらに多くのことが起こるだろうとブラックバーン氏は宣言する。 「これらすべての新しいナノスケール工学能力により、20年前には製造不可能だった材料を作成できるようになりました。」と彼は言います。