Una delle sfide legate alla mobilità elettrica che attualmente occupa alcuni dei migliori progettisti del Pianeta, è lo sviluppo di un motore elettrico robusto, compatto e potente con un'elevata densità di potenza, capace di resistere alle alte temperature e che non utilizzi le terre rare. Com’è noto l’Occidente dipende, per il 95% della sua domanda, dai magneti permanenti “made in China”.

Tra chi ha accettato la sfida c’è Niron Magnetics, una startup del Minnesota, che starebbe costruendo un impianto per produrre, su larga scala, nitruro di ferro, un materiale magnetico che consentirebbe di costruire magneti permanenti in grado di sostituire efficacemente quelli prodotti utilizzando le terre rare. L’obbiettivo di Niron è di entrare nel segmento di mercato miliardario dei magneti al neodimio ferro boro (NdFeB), le cui previsioni di crescita vengono definite esponenziali. Al momento queste stime sulla domanda sono rispettate, seppure con un esponente piuttosto ridotto, solo in Cina.

Previsione di consumo dei magneti al NdFeB per segmento.

Il mercato dei magneti permanenti potrebbe raggiungere i 70 miliardi di dollari nel 2024 ma è in grado di abilitare tecnologie per un valore di oltre 3.000 miliardi di dollari di mercato: elettrodomestici, ascensori, montacarichi, robotica, veicoli elettrici oltre al settore della difesa.

I magneti NdFeB sono un tipo di magnete permanente realizzato con materiale in lega contenente gli elementi neodimio, ferro e boro, sviluppati oltre 25 anni fa, oggi sono il tipo di magnete più potente disponibile in commercio. La domanda è attualmente trainata da un mercato che vede l’uso trasversale di questi magneti: dal nostro telefonino, ai caccia F35 passando per auto elettriche e turbine eoliche. Pechino controlla saldamente il mercato globale e se da un lato si teme possa non essere in grado di soddisfare una domanda in crescita esplosiva, tesi tuttavia ancora da dimostrare, dall’altro le vere preoccupazioni sono sull’uso geopolitico che il Dragone potrebbe fare con il suo monopolio, in particolar modo nel settore della difesa.

Che dice Tesla.

Che si stiano studiando alternative ai magneti NdFeB è un dato di fatto: in occasione dell'Investor Day 2023, Tesla aveva stupito tutti rivelando che i suoi motori sincroni a magneti permanenti (PMSM) di prossima generazione non avrebbero contenuto terre rare. Tra le potenziali criticità dell’attuale supply-chain dei magneti NdFeB, il responsabile Powertrain Engineering di Tesla aveva posto l’attenzione su come “l'estrazione delle terre rare comporti rischi ambientali.”. Certo: da Bayan Obo al Myanmar, l'industria delle terre rare ha sempre rappresentato l’aspetto oscuro della mobilità “sostenibile”; eppure, le preoccupazioni ambientali, in questo caso, potrebbero essere infondate.

Un’analisi del ciclo di vita (LCA) ha dimostrato come il magnete NdFeB abbia impatti minori, in tutte le categorie, rispetto a quello in ferrite. Analisi che attinge dai dati della catena di approvvigionamento cinese, dove gli impatti ambientali e sulla salute sono sostanzialmente superiori rispetto alle alternative attuali ed emergenti in Occidente. È pensabile che lo sviluppo di una supply-chain occidentale possa fugare in larga parte i timori di Tesla circa la sostenibilità dei magneti NdFeB rispetto a quelli in ferrite.

Senza voler sottovalutare le capacità tecnologiche di Tesla, va anche considerato che la storia di Elon Musk è costellata di dichiarazioni ad effetto che talvolta non hanno retto alla prova dei fatti https://www.washingtonpost.com/technology/2022/04/15/elon-musk-promises/ e il non aver fornito nessun dato tecnologico concreto ha contribuito ad alimentare gli scettici.

Al momento a tenere desto l’interesse ci sono le teorie circa la natura dei nuovi magneti che avrebbero equipaggiato i motori di prossima generazione di Tesla. Il candidato più probabile potrebbe essere un PMSM con magneti in ferrite: è economico e facile da realizzare, ottimo per tenere chiuse le porte di un frigorifero, più problematico per spingere una Tesla da oltre 2 tonnellate.

Percentuali di utilizzo dei principali tipi di magnete. Fonte: GrandView Research.

Il produttore giapponese di materiali metallici Proterial (già Hitachi Metals) ha annunciato lo sviluppo del progetto per un motore che utilizza un magnete in ferrite proprietario ad alte prestazioni denominato NMF-15 (motore con magnete in ferrite), da cui sarà possibile ottenere lo stesso livello di potenza di un motore per veicoli elettrici che utilizza magneti al neodimio. Secondo Proterial i risultati della simulazione hanno confermato una potenza superiore a 100 kW.

Il magnete al nitruro.

Sulla reale applicabilità di questa soluzione, in ambito scientifico, vi sono significativi dubbi: il problema si chiama anisotropia magnetocristallina che è la caratteristica del cristallo di un materiale magnetico che ne determina la proprietà di magnetizzazione lungo determinati assi rispetto ad altri. Una forte anisotropia magnetocristallina ci garantirà che il magnete avrà un’alta coercitività, la capacità di resistere alla smagnetizzazione. A fronte di campi magnetici più intensi, il motore con magneti NdFeB utilizza meno della metà del volume e pesa un terzo di meno del motore con magneti in ferrite a parità di caratteristiche.

Ma c’è qualcuno che ritiene di avere aggirato il problema dell’anisotropia magnetocristallina: Niron Magnetics con il magnete al nitruro di ferro. Anche in questo caso se, in linea teorica, il nitruro di ferro può essere in grado di realizzare magneti anche più potenti di quelli al NdFeB, siamo, forse, a livello di prototipo e la strada per un utilizzo industriale su larga scala è ancora lunga e da verificare: esattamente come per Proterial.

Attualmente i magneti di Niron possono raggiungere circa 10 MGOe (la densità di energia di un magnete si misura in mega-gauss-oersteds (MGOe)) mentre i magneti NdFeB raggiungono anche 50 MGOe ed il tipo magnete comunemente utilizzato nei motori di trazione automobilistici, è generalmente di circa 35 MGOe.

Fonte: Magnet Applications, Inc.

In teoria, secondo Niron, il materiale dovrebbe essere in grado di raggiungere da 20 a30 MGOe utilizzando l'attuale metodo di produzione, 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.

La terza via.

Esistono poi alternative “più tradizionali” come gli attuali motori sincroni con rotore avvolto e spazzole delle EVs Renault (tecnologia EESM, ossia Electrically Excited Synchronous Motor), che presentano però l’inconveniente di utilizzare cursori e spazzole per stabilire un contatto elettrico con la superficie rotante: il limite, almeno sulla carta, è che le spazzole producono polvere e alla fine si consumano, oltre a generare delle perdite. 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 parla del 2027.

A fare di meglio, a sentire loro, ci sarebbe la tedesca ZF Friedrichshafen AG con il suo motore sperimentale: 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, legati al fatto che questo tipo di tecnologia del motore offre la possibilità di controllare con precisione il campo magnetico nel rotore, cosa che non è possibile con i magneti permanenti. A cosa serve? A variare il campo magnetico per ottenere un'efficienza molto più elevata ad alta velocità, ad esempio, o a disattivare il campo magnetico: molto utile in termini di sicurezza, in presenza di incidenti o rotture. Inoltre, grazie all'eccitatore induttivo, la tecnologia ZF consentirebbe di trasmettere elettricità senza contatto.

Certo, le tecnologie, ed in particolare quelle applicate allo sviluppo di nuovi materiali, possono aprire nuove frontiere ma gli attributi necessari per un nuovo tipo di magnete permanente sono numerosi: elevata intensità di campo, elevata coercitività, tolleranza alle alte temperature, buona resistenza meccanica, dimensioni ridotte, facilità di produzione e nessuna dipendenza da elementi che possano risultare problematici, ambientalmente o dal punto di vista geopolitico. E, naturalmente, il prezzo.