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 ostentações, em sua maioria 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: “Não acredito que qualquer ímã permanente que não seja de terras raras possa ser usado em um motor de tração síncrono em um futuro próximo”. E na Universidade de Uppsala, na Suécia, Alena Vishina, uma física, explica: “Não tenho a certeza se é possível utilizar apenas materiais isentos de terras raras para fazer um motor potente e eficiente”.

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

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

As proezas técnicas de Tesla nunca devem ser subestimadas. Mas, por outro lado, a empresa – e em particular o seu CEO – tem um histórico de fazer afirmações sensacionais esporádicas que não dão certo (ainda estamos esperando por aquele Modelo 3 de US$ 35 mil, por exemplo).

O problema aqui é a física, que nem mesmo Tesla pode 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 giros alinhados, mais forte será o magnetismo. Para isso, os átomos ideais são aqueles que possuem elétrons desemparelhados fervilhando ao redor do núcleo nos chamados orbitais 3d. Os topos são de ferro, com quatro elétrons 3d desemparelhados, e de cobalto, com três.

Mas os elétrons 3D por si só não são suficientes para criar ímãs superfortes. Como os pesquisadores descobriram há décadas, a força magnética pode ser bastante melhorada adicionando-se à rede cristalina átomos com elétrons desemparelhados no orbital 4f – notadamente os elementos de terras raras neodímio, samário e disprósio. Esses elétrons 4f melhoram uma característica da rede cristalina chamada anisotropia magnética – na verdade, eles promovem a aderência dos momentos magnéticos dos átomos às direções específicas da 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 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 forem 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: ferritas e outro tipo chamado Alnico (alumínio níquel cobalto). Tesla não vai usar Alnico, insistiu meia dúzia de especialistas contatados pelo IEEESpectrum. Estes ímanes são fracos e, mais importante, o fornecimento mundial de cobalto é tão escasso que representam menos de 2% do mercado de ímanes permanentes.

Existem mais de vinte ímãs permanentes que não usam elementos de terras raras ou que não usam muitos deles. Mas nada disso teve impacto fora do laboratório.