¿Existe el misterioso imán de Tesla?

IEEE Spectrum,17 de marzo de 2023 | Glenn Zorpette

El día del inversor de Tesla, el 1 de marzo, comenzó con un discurso intrincado y detallado sobre la energía y el medio ambiente antes de pasar a una serie de anuncios y fanfarronadas en su mayoría predecibles. Y luego, de la nada, llegó una bomba absoluta: “Hemos diseñado nuestra próxima unidad de accionamiento, que utiliza un motor de imanes permanentes, para no utilizar elementos de tierras raras en absoluto”, declaró Colin Campbell, director de energía de Tesla, ingeniería de trenes.

Fue una revelación asombrosa que dejó a la mayoría de los expertos en magnetismo permanente cautelosos y perplejos. Alexander Gabay, investigador de la Universidad de Delaware, afirma rotundamente: “Soy escéptico de que cualquier imán permanente que no sea de tierras raras pueda usarse en un motor de tracción síncrono en un futuro cercano”. Y en la Universidad de Uppsala, en Suecia, Alena Vishina , física, elabora: “No estoy segura de que sea posible usar solo materiales libres de tierras raras para hacer un motor potente y eficiente”.

Y en una reciente conferencia sobre magnetismo, Ping Liu , profesor de la Universidad de Texas, en Arlington, preguntó a otros investigadores qué pensaban del anuncio de Tesla. “Nadie entiende completamente esto”, informó. (Tesla no respondió a un correo electrónico en el que se le solicitaba más detalles sobre el comentario de Campbell).

La destreza técnica de Tesla nunca debe subestimarse. Pero, por otro lado, la empresa, y en particular su director ejecutivo, tiene un historial de hacer afirmaciones sensacionalistas esporádicas que no dan resultado ( todavía estamos esperando ese Model 3 de 35.000 dólares, por ejemplo).

El problema aquí es la física, que ni siquiera Tesla puede alterar. El magnetismo permanente ocurre en ciertos materiales cristalinos cuando los espines de los electrones de algunos de los átomos en el cristal son forzados a apuntar en la misma dirección. Cuanto más de estos giros alineados, más fuerte es el magnetismo. Para ello, los átomos ideales son aquellos que tienen electrones desapareados pululando alrededor del núcleo en lo que se conoce como orbitales 3d . Las tapas son de hierro, con cuatro electrones 3d desapareados, y cobalto, con tres.

Pero los electrones 3d por sí solos no son suficientes para hacer imanes superfuertes. Como los investigadores descubrieron hace décadas, la fuerza magnética se puede mejorar en gran medida agregando a la red cristalina átomos con electrones desapareados en el orbital 4f, en particular los elementos de tierras raras neodimio, samario y disprosio. Estos electrones 4f mejoran una característica de la red cristalina llamada anisotropía magnética; en efecto, promueven la adherencia de los momentos magnéticos de los átomos a las direcciones específicas de la red cristalina. Eso, a su vez, puede explotarse para lograr una alta coercitividad., la propiedad esencial que permite que un imán permanente permanezca magnetizado. Además, a través de varios mecanismos físicos complejos, los electrones 4f desapareados pueden amplificar el magnetismo del cristal coordinando y estabilizando la alineación de espín de los electrones 3d en la red.

Desde la década de 1980, un imán permanente basado en un compuesto de neodimio, hierro y boro (NdFeB) ha dominado las aplicaciones de alto rendimiento, incluidos motores, teléfonos inteligentes, altavoces y generadores de turbinas eólicas. Un estudio de 2019 realizado por Roskill Information Services, en Londres, descubrió que más del 90 % de los imanes permanentes utilizados en los motores de tracción de automóviles eran NdFeB.

Entonces, si no son imanes permanentes de tierras raras para el próximo motor de Tesla, ¿de qué tipo? Entre los expertos dispuestos a especular, la elección fue unánime: imanes de ferrita. Entre los imanes permanentes que no son de tierras raras inventados hasta ahora, solo dos están en producción a gran escala: las ferritas y otro tipo llamado Alnico (aluminio níquel cobalto). Tesla no va a utilizar Alnico, insistieron media docena de expertos contactados por IEEE Spectrum. Estos imanes son débiles y, lo que es más importante, la oferta mundial de cobalto es tan alta que representan menos del 2 por ciento del mercado de imanes permanentes.

Hay más de una veintena de imanes permanentes que no usan elementos de tierras raras, o no usan mucho de ellos. Pero ninguno de estos ha tenido un impacto fuera del laboratorio.

Los imanes de ferrita, basados en una forma de óxido de hierro, son baratos y representan casi el 30 por ciento del mercado de imanes permanentes por ventas. Pero también son débiles (un uso principal es mantener cerradas las puertas del refrigerador). Un indicador clave del rendimiento de un imán permanente es su producto energético máximo, medido en megagauss-oersteds (MGOe). Refleja tanto la fuerza de un imán como su coercitividad. Para el tipo de NdFeB comúnmente utilizado en los motores de tracción de automóviles, este valor suele rondar los 35 MGOe. Para los mejores imanes de ferrita, es alrededor de 4.

"Incluso si obtiene el imán de ferrita de mejor rendimiento, tendrá un rendimiento de cinco a 10 veces por debajo del neodimio-hierro-boro”, dice Daniel Salazar Jaramillo, investigador de magnetismo en el Centro Vasco de Materiales, Aplicaciones y Nanoestructuras, en España. Entonces, en comparación con un motor síncrono construido con imanes NdFeB, uno basado en imanes de ferrita será mucho más grande y pesado, mucho más débil o una combinación de los dos.

Sin duda, hay más de una veintena de otros imanes permanentes que no usan elementos de tierras raras o no usan mucho de ellos. Pero ninguno de estos ha tenido un impacto fuera del laboratorio. La lista de atributos necesarios para un imán permanente comercialmente exitoso incluye alta intensidad de campo, alta coercitividad, tolerancia a altas temperaturas, buena resistencia mecánica, facilidad de fabricación y falta de dependencia de elementos que son escasos, tóxicos o problemáticos por alguna otra razón. Todos los candidatos de hoy no marcan una o más de estas casillas.

Los imanes de nitruro de hierro, como este de la startup Niron Magnetics, se encuentran entre los más prometedores de una cosecha emergente de imanes permanentes que no utilizan elementos de tierras raras.

Pero denle unos años más, dicen algunos investigadores, y uno o dos de estos podrían muy bien abrirse paso. Entre los más prometedores: nitruro de hierro, Fe ₁₆ N ₂ . Una startup de Minneapolis, Niron Magnetics , ahora está comercializando tecnología que fue pionera con financiamiento de ARPA-E por Jian Ping Wang en la Universidad de Minnesota a principios de la década de 2000, después de un trabajo anterior en Hitachi. El vicepresidente ejecutivo de Niron, Andy Blackburn, le dijo a Spectrumque la compañía tiene la intención de presentar su primer producto a fines de 2024. Blackburn dice que será un imán permanente con un producto de energía superior a 10 MGOe, para el cual anticipa aplicaciones en altavoces y sensores, entre otros. Si tiene éxito, será el primer imán permanente comercial nuevo desde NdFeB, hace 40 años, y el primer imán permanente comercial que no sea de tierras raras desde la ferrita de estroncio, el mejor tipo de ferrita, hace 60 años.

La primera oferta de Niron será seguida en 2025 por un imán con un producto energético superior a 30 MGOe, según Blackburn. Para esto hace una predicción bastante audaz: "Tendrá un flujo tan bueno o mejor que el neodimio. Tendrá la coercitividad de una ferrita, y tendrá los coeficientes de temperatura del samario cobalto", mejor que el NdFeB. Si el imán realmente logra combinar todos esos atributos (un gran si), sería muy adecuado para su uso en los motores de tracción de los vehículos eléctricos.

Habrá más por venir, declara Blackburn. “Todas estas nuevas capacidades de ingeniería a nano escala nos han permitido crear materiales que habrían sido imposibles de fabricar hace 20 años", sostiene.