Terre sempre più rare sui motori elettrici

Le terre rare sono diventate di fondamentale importanza nella produzione di batterie ricaricabili e di magneti permanenti per i motori elettrici a più elevata efficienza. L’utilizzo di questi materiali comporta notevoli implicazioni economiche, vista la complessità dei processi di estrazione che influisce ovviamente sui costi. Inoltre le miniere di terre rare sono caratterizzate da un notevole impatto ambientale sull’ambiente circostante: l’estrazione di una tonnellata di metalli delle terre rare produce circa 2.000 tonnellate di rifiuti pericolosi per l’ambiente.

Infatti nelle lavorazioni vengono utilizzate sostanze chimiche tossiche come acidi e solventi che contaminano le falde acquifere, lasciando pesanti impatti sul territorio, che quasi mai viene bonificato al termine dell’attività.

Inoltre il processo produttivo necessita di grosse quantità di energia, principalmente proveniente da fonti fossili, con relative emissioni di gas serra. Va considerato anche l’impatto geopolitico del mercato delle terre rare: i maggiori giacimenti si trovano in Cina, Russia, India, Thailandia, Stati Uniti, Canada, Australia, Brasile, Malesia, Vietnam e Sudafrica. Nei paesi più poveri, le compagnie cinesi e statunitensi sfruttano i territori già martoriati e i loro abitanti, approfittando dell’assenza di controlli sull’ambiente e sulla sicurezza dei lavoratori. Spesso si ricorre senza problemi alla manodopera minorile, esponendo i minori a sostanze altamente nocive, in condizioni paragonabili alla schiavitù.

Inoltre, a causa dei fattori sopra esposti, i prezzi delle terre rare sono in continuo aumento e facile oggetto di speculazioni.

Motori elettrici con magneti alternativi senza terre rare

Sono in corso importanti studi per lo sviluppo di motori che utilizzano un magnete in ferrite (privo quindi di terre rare), ma con una densità di potenza che si avvicina a quella dei motori con magneti al neodimio. 

Il problema principale di questi magneti alternativi è la cosiddetta “anisotropia magnetocristallina”, cioè la caratteristica del cristallo di un materiale magnetico di presentare una magnetizzazione lungo determinati assi rispetto ad altri. Una forte anisotropia magnetocristallina garantisce al magnete un’alta coercitività, cioè una buona capacità di resistere alla smagnetizzazione. A fronte di campi magnetici più intensi, il motore con magneti al neodimio (NdFeB) utilizza meno della metà del volume e pesa un terzo di meno del motore con magneti in ferrite a parità di caratteristiche.

Come accennato sopra, lo sfruttamento delle terre rare è uno dei tanti campi di scontro tra USA e Cina. Non a caso è stata proprio una società statunitense, la Niron, con sede a Minneapolis, a presentare una tecnologia che consentirà la produzione di magneti permanenti privi di terre rare.

Magneti permanenti con ferro e azoto

La nuova tecnologia si chiama Clean Earth Magnet e consentirà la produzione in serie di magneti permanenti ad alte prestazioni basati interamente su elementi di facile reperibilità come ferro e azoto e con processi produttivi sostenibili.

Il processo di fabbricazione di Niron introduce le più recenti innovazioni nella progettazione dei nanomateriali a integrazione dei metodi metallurgici classici, allo scopo di ottenere magneti ad alte prestazioni ma con un costo più basso e stabile rispetto a quelli che impiegano le terre rare.

I magneti permanenti prodotti da Niron si basano infatti su materiali ampiamente disponibili ed economici come ferro e azoto, e grazie alle nanotecnologie permettono di di controllare la struttura cristallina del nitruro di ferro (formula bruta FeN, ovvero il composto chimico prodotto dalla reazione tra ferro e azoto) per ottenere magneti ad alta resistenza. Infatti i nitruri di ferro sono i materiali magnetici naturali più resistenti.

Attualmente i magneti di Niron possono raggiungere una densità di energia pari a un quinto di quella massima ottenibile con i magneti NdFeB e di circa un terzo rispetto ai magneti comunemente utilizzati nei motori di trazione automobilistici.

Vantaggi

In teoria, secondo Niron, il loro nuovo magnete dovrebbe essere in grado di triplicare l’attuale densità di energia, ma non nasconde che il raggiungimento di questo obiettivo richiederà “molta ottimizzazione”. Resta inoltre sullo sfondo la certezza che su specifiche applicazioni all’interno di un veicolo elettrico, i magneti NdFeB non siano comunque sostituibili per problemi di miniaturizzazione.

Altri studi suggeriscono che per limitare il fenomeno della smagnetizzazione, che pare affliggere significativamente i magneti al nitruro di ferro, si potrebbero sfruttare dei magneti con terre rare in quelle zone del magnete dove la smagnetizzazione è maggiore.

Chi produce motori elettrici sincroni senza magneti permanenti

Alcune case automobilistiche si stanno invece concentrando sul miglioramento dei motori sincroni senza magneti permanenti, nei quali il rotore è costituito da un avvolgimento.

Renault utilizza la tecnologia EESM (Electrically Excited Synchronous Motor), che prevede cursori e spazzole per stabilire un contatto elettrico con la superficie rotante. Questa soluzione presenta rendimenti inferiori ai motori con magneti permanenti e inoltre le spazzole si consumano e producono polvere. Renault ha già annunciato la terza generazione di questo motore elettrico (sigla E7A), che però attualmente è solo in fase di progettazione: per la produzione di serie si dovrà attendere il 2027.

La tedesca ZF sta sviluppando un motore sperimentale chiamato I2SM (In-Rotor Inductive-Excited Synchronous Motor): oltre a non utilizzare elementi di terre rare, il motore offre alcuni altri vantaggi rispetto ai motori sincroni a magneti permanenti, ovvero la possibilità di controllare con precisione il campo magnetico nel rotore, funzione che non è attuabile adottando magneti permanenti, e l’assenza di contatti.

Poter variare il campo magnetico nel rotore permette da una parte di ottenere un’efficienza più elevata ad alta velocità, e dall’altra di disattivare completamente il campo magnetico, aumentando notevolmente le condizioni di sicurezza in caso di incidenti o rotture.

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