بسبب مشاكل سلسلة التوريد والبيئة، يعمل قسم توليد الطاقة في شركة تسلا بجهد لإزالة المغناطيسات الأرضية النادرة من المحركات ويبحث عن حلول بديلة.
لم يخترع تسلا بعد مادة مغناطيسية جديدة تمامًا، لذا قد يكتفي بالتكنولوجيا الموجودة، على الأرجح باستخدام الفريت الرخيص وسهل التصنيع.
من خلال وضع مغناطيسات الفريت بعناية وضبط الجوانب الأخرى لتصميم المحرك، يتم تحسين العديد من مؤشرات الأداءالعناصر الأرضية النادرةيمكن محاكاة محركات الدفع. في هذه الحالة، يزيد وزن المحرك بنسبة 30% فقط، وهو فرق قد يكون ضئيلاً مقارنةً بالوزن الإجمالي للسيارة.
4. يجب أن تتمتع المواد المغناطيسية الجديدة بالخصائص الأساسية الثلاثة التالية: 1) يجب أن تتمتع بالمغناطيسية؛ 2) الاستمرار في الحفاظ على المغناطيسية في وجود مجالات مغناطيسية أخرى؛ 3) يمكنها تحمل درجات الحرارة العالية.
وبحسب موقع Tencent Technology News، أعلنت شركة تصنيع السيارات الكهربائية Tesla أن العناصر الأرضية النادرة لن تُستخدم بعد الآن في محركات سياراتها، مما يعني أن مهندسي Tesla سيضطرون إلى إطلاق العنان لإبداعاتهم بالكامل في إيجاد حلول بديلة.
في الشهر الماضي، أصدر إيلون ماسك "الجزء الثالث من الخطة الرئيسية" خلال فعالية يوم مستثمري تسلا. ومن بين هذه التفاصيل، تفصيل صغير أثار ضجة في مجال الفيزياء. فقد أعلن كولين كامبل، أحد كبار المسؤولين التنفيذيين في قسم توليد الطاقة في تسلا، أن فريقه بصدد إزالة مغناطيسات العناصر الأرضية النادرة من المحركات بسبب مشاكل في سلسلة التوريد والتأثير السلبي الكبير لإنتاج مغناطيسات العناصر الأرضية النادرة.
لتحقيق هذا الهدف، قدّم كامبل شريحتين تتضمنان ثلاث مواد غامضة مُصنّفة بذكاء على أنها عناصر أرضية نادرة ١، وعناصر أرضية نادرة ٢، وعناصر أرضية نادرة ٣. تُمثّل الشريحة الأولى الوضع الحالي لشركة تيسلا، حيث تتراوح كمية العناصر الأرضية النادرة التي تستخدمها الشركة في كل مركبة بين نصف كيلوغرام وعشرة غرامات. أما الشريحة الثانية، فتُظهر انخفاض استخدام جميع العناصر الأرضية النادرة إلى الصفر.
بالنسبة لعلماء المغناطيسية الذين يدرسون القوة السحرية الناتجة عن الحركة الإلكترونية في مواد معينة، يسهل التعرف على هوية عنصر الأرض النادرة 1، وهو النيوديميوم. عند إضافته إلى عناصر شائعة كالحديد والبورون، يُساعد هذا المعدن على خلق مجال مغناطيسي قوي ودائم. لكن قلة من المواد تتمتع بهذه الخاصية، وعدد أقل من عناصر الأرض النادرة يُولد مجالات مغناطيسية قادرة على تحريك سيارات تيسلا التي يزيد وزنها عن 2000 كيلوغرام، بالإضافة إلى أشياء أخرى كثيرة، من الروبوتات الصناعية إلى الطائرات المقاتلة. إذا كانت تيسلا تخطط لإزالة النيوديميوم وعناصر الأرض النادرة الأخرى من المحرك، فأي مغناطيس ستستخدمه بدلاً من ذلك؟
بالنسبة للفيزيائيين، هناك أمر واحد مؤكد: لم تخترع تيسلا نوعًا جديدًا تمامًا من المواد المغناطيسية. صرّح آندي بلاكبيرن، نائب الرئيس التنفيذي للاستراتيجية في شركة NIron Magnets، قائلاً: "بعد أكثر من 100 عام، قد لا تتاح لنا سوى فرص قليلة لاقتناء مغناطيسات أعمال جديدة". وتُعدّ NIron Magnets من الشركات الناشئة القليلة التي تسعى لاغتنام الفرصة التالية.
يعتقد بلاكبيرن وآخرون أن الأرجح أن تسلا قرر الاكتفاء بمغناطيس أقل قوة بكثير. من بين الاحتمالات العديدة، يُعدّ الفريت المرشح الأبرز: وهو سيراميك يتكون من الحديد والأكسجين، ممزوج بكمية صغيرة من معدن مثل السترونشيوم. يتميز الفريت بانخفاض تكلفته وسهولة تصنيعه، ومنذ خمسينيات القرن الماضي، تُصنع أبواب الثلاجات حول العالم بهذه الطريقة.
لكن من حيث الحجم، لا تتجاوز مغناطيسية الفريت عُشر مغناطيسية النيوديميوم، مما يثير تساؤلات جديدة. لطالما عُرف إيلون ماسك، الرئيس التنفيذي لشركة تيسلا، بصرامته، ولكن إذا أرادت تيسلا التحول إلى الفريت، فيبدو أنه لا بد من تقديم بعض التنازلات.
من السهل الاعتقاد بأن البطاريات هي مصدر قوة السيارات الكهربائية، لكن في الواقع، الدفع الكهرومغناطيسي هو ما يُحركها. وليس من قبيل المصادفة أن تُسمى كلٌّ من شركة تسلا ووحدة "تسلا" المغناطيسية باسم الشخص نفسه. عندما تتدفق الإلكترونات عبر ملفات المحرك، فإنها تُولّد مجالًا كهرومغناطيسيًا يُحرّك القوة المغناطيسية المعاكسة، مما يُؤدي إلى دوران عمود المحرك مع العجلات.
بالنسبة للعجلات الخلفية لسيارات تسلا، تُوفّر هذه القوى محركات ذات مغناطيس دائم، وهي مادة غريبة ذات مجال مغناطيسي مستقر ولا تُدخل تيارًا، بفضل الدوران الذكي للإلكترونات حول الذرات. بدأت تسلا بإضافة هذه المغناطيسات إلى سياراتها منذ حوالي خمس سنوات فقط، بهدف زيادة المدى وعزم الدوران دون الحاجة إلى تحديث البطارية. قبل ذلك، كانت الشركة تستخدم محركات حثية مُصنّعة حول مغناطيسات كهربائية، والتي تُولّد المغناطيسية باستهلاك الكهرباء. ولا تزال الطرازات المُزوّدة بمحركات أمامية تستخدم هذا الوضع.
يبدو قرار تيسلا بالتخلي عن المعادن النادرة والمغناطيس غريبًا بعض الشيء. غالبًا ما تُولي شركات السيارات اهتمامًا بالغًا بالكفاءة، وخاصةً في مجال السيارات الكهربائية، حيث لا تزال تسعى لإقناع السائقين بالتغلب على مخاوفهم من مدى القيادة. ولكن مع بدء شركات تصنيع السيارات في توسيع نطاق إنتاج السيارات الكهربائية، عادت العديد من المشاريع التي كانت تُعتبر سابقًا غير فعالة إلى الظهور.
دفع هذا شركات صناعة السيارات، بما في ذلك تيسلا، إلى إنتاج المزيد من السيارات التي تستخدم بطاريات فوسفات حديد الليثيوم (LFP). بالمقارنة مع البطاريات التي تحتوي على عناصر مثل الكوبالت والنيكل، غالبًا ما تكون هذه الطرازات ذات مدى أقصر. هذه تقنية قديمة ذات وزن أكبر وسعة تخزين أقل. حاليًا، يبلغ مدى سيارة موديل 3 التي تعمل بالطاقة منخفضة السرعة حوالي 438 كيلومترًا (272 ميلًا)، بينما يصل مدى سيارة موديل S البعيدة والمجهزة ببطاريات أكثر تطورًا إلى 640 كيلومترًا (400 ميل). ومع ذلك، قد يكون استخدام بطارية فوسفات حديد الليثيوم خيارًا تجاريًا أكثر منطقية، لأنه يتجنب استخدام مواد أكثر تكلفة، بل وحتى مواد ذات مخاطر سياسية.
مع ذلك، من غير المرجح أن تستبدل تسلا المغناطيس بشيء أسوأ، مثل الفريت، دون إجراء أي تغييرات أخرى. قالت الفيزيائية ألينا فيشنا من جامعة أوبسالا: "ستحمل مغناطيسًا ضخمًا في سيارتك. لحسن الحظ، المحركات الكهربائية آلات معقدة للغاية، مع العديد من المكونات الأخرى التي يمكن نظريًا إعادة ترتيبها لتقليل تأثير استخدام مغناطيسات أضعف".
في نماذج حاسوبية، أثبتت شركة بروتيريال للمواد مؤخرًا إمكانية محاكاة العديد من مؤشرات أداء محركات الدفع المصنوعة من معادن نادرة عن طريق ضبط موضع مغناطيسات الفريت بدقة وتعديل جوانب أخرى من تصميم المحرك. في هذه الحالة، يزداد وزن المحرك بنسبة 30% فقط، وهو فرق قد يكون ضئيلًا مقارنةً بالوزن الإجمالي للسيارة.
رغم هذه الصعوبات، لا تزال لدى شركات السيارات أسبابٌ عديدة للتخلي عن العناصر الأرضية النادرة، شريطة أن تتمكن من ذلك. تُقارب قيمة سوق العناصر الأرضية النادرة بأكمله قيمة سوق البيض في الولايات المتحدة، ونظريًا، يُمكن استخراج العناصر الأرضية النادرة ومعالجتها وتحويلها إلى مغناطيس في جميع أنحاء العالم، إلا أن هذه العمليات تُمثل في الواقع تحدياتٍ عديدة.
قال توماس كرومر، محلل المعادن والمدون الشهير في مجال رصد العناصر الأرضية النادرة: "هذه صناعة تبلغ قيمتها 10 مليارات دولار، لكن قيمة المنتجات المُنتجة سنويًا تتراوح بين تريليونين وثلاثة تريليونات دولار، وهو أمر بالغ الأهمية. وينطبق الأمر نفسه على السيارات. حتى لو كانت تحتوي على بضعة كيلوغرامات فقط من هذه المادة، فإن إزالتها يعني توقفها عن العمل ما لم تكن مستعدًا لإعادة تصميم محركها بالكامل".
تسعى الولايات المتحدة وأوروبا إلى تنويع سلسلة التوريد هذه. وقد أُعيد فتح مناجم المعادن الأرضية النادرة في كاليفورنيا، التي أُغلقت في أوائل القرن الحادي والعشرين، مؤخرًا، وهي تُوفر حاليًا 15% من موارد المعادن الأرضية النادرة في العالم. في الولايات المتحدة، تحتاج الهيئات الحكومية (وخاصة وزارة الدفاع) إلى توفير مغناطيسات قوية لمعدات مثل الطائرات والأقمار الصناعية، وهي متحمسة للاستثمار في سلاسل التوريد محليًا وفي مناطق مثل اليابان وأوروبا. ولكن بالنظر إلى التكلفة والتكنولوجيا المطلوبة والقضايا البيئية، تُعتبر هذه العملية بطيئة وقد تستغرق عدة سنوات أو حتى عقودًا.
وقت النشر: ١١ مايو ٢٠٢٣