Alternative ai magneti di terre rare per motori elettrici

Miniera di Bayan Obo nella Mongolia Interna, che contiene minerali di terre rare (Foto: Reuters)

Al livello più elementare, un motore elettrico è costituito da due parti principali: lo statore e il rotore. Lo statore è una parte fissa che, tramite bobine o magneti, crea un campo magnetico. Questo campo magnetico genera una forza che fa girare il rotore.

Cambiando costantemente la polarità del campo magnetico tramite l'energia elettrica (ricordate come i poli uguali si respingono?), il rotore viene mantenuto in continuo movimento. Questo movimento fornisce la spinta necessaria per alimentare un ventilatore, una pompa o una macchina.

Più potente è il magnete, migliore sarà il ritorno di potenza e la longevità del motore elettrico. I minerali delle terre rare, come neodimio (Nd), disprosio (Dy) e samario (Sm), sono importanti, poiché l'aggiunta di questi materiali può dare origine a prodotti più resistenti, più piccoli, più leggeri e più efficienti di un magnete in ferro standard.

Fornitura globale

I minerali delle terre rare non sono necessariamente rari, ma sono difficili da estrarre e lavorare. Diverse terre rare si trovano nella maggior parte delle aree del mondo, ma la fattibilità dell'estrazione di questi materiali deve essere valutata caso per caso. Tali sono gli ingenti investimenti richiesti e l'impatto ambientale, che molti potenziali siti minerari semplicemente non ottengono mai il via libera.

Ma ci sono delle eccezioni. Diverse aziende con sede in Cina (come China Northern Rare Earth) estraggono minerali di terre rare da decenni. Questa competenza, unita ai volumi di produzione, ha permesso al Paese di diventare un fornitore leader per il resto del mondo. Si stima che la Cina estragga attualmente circa il 70% dei minerali contenenti terre rare, mentre detiene una capacità di lavorazione addirittura superiore all'80% a livello mondiale.

Questo dominio del mercato ha portato la Cina a istituire strategie legate alle esportazioni di terre rare. Ci sono diversi livelli di sottinteso, ma le esportazioni possono essere limitate o incrementate per ottenere un vantaggio politico e/o economico.

La Cina detiene una tale presa sul mercato delle terre rare da controllarne efficacemente i prezzi globali. A seconda dell'obiettivo, il governo nazionale può ridurre o aumentare l'offerta. L'aumento dell'offerta può determinare un calo dei prezzi globali delle terre rare, rendendo meno probabile l'avvio di nuovi progetti minerari e, al contempo, mettendo fuori gioco altri produttori, poiché i costi di estrazione superano i valori di mercato. Al contrario, la riduzione dell'offerta aumenta il valore dei materiali e aiuta i prodotti realizzati in Cina ad acquisire un vantaggio competitivo al momento del loro arrivo sul mercato.

MP Materials, situata nel deserto del Mohave in California, gestisce l'unico impianto di estrazione e lavorazione di terre rare negli Stati Uniti (Foto: Reuters)

L'importanza strategica delle terre rare non può essere sopravvalutata. A seguito dell'egemonia cinese, gli Stati Uniti hanno recentemente annunciato il piano per la creazione di una zona di libero scambio per le terre rare e altri minerali essenziali, nel tentativo di ridurre il predominio cinese sul mercato.

Alternative alle terre rare

Come accennato, i minerali delle terre rare producono magneti permanenti con proprietà apprezzate dai produttori di motori. I più comuni sono i magneti NdFeB, composti da neodimio (un minerale delle terre rare), boro e ferro.

Esistono alternative, sebbene presentino degli svantaggi. In un caso, i magneti in ferrite (chiamati anche magneti "ceramici" per le somiglianze – nella produzione e nelle proprietà fisiche – con i veri materiali ceramici) possono essere prodotti utilizzando ossido di ferro e bario/stronzio, senza l'impiego di terre rare. Tuttavia, sebbene utilizzino materiali economici e ampiamente disponibili, forniscono una forza inferiore, quindi è necessario utilizzare un magnete più grande per ottenere le stesse prestazioni.

I cosiddetti magneti alnico, realizzati con alluminio, nichel, cobalto e ferro, offrono un'altra soluzione per eliminare le terre rare. Più resistenti delle ferriti, hanno anche una buona stabilità termica. Ma, ancora una volta, la forza magnetica complessiva è più debole, mentre il cobalto presenta problemi di approvvigionamento.

Combinando il manganese con l'alluminio (MnAl) o il bismuto (MnBi) si possono ottenere magneti privi di terre rare, ma la stabilità e la durata rimangono comunque un problema.

Nessun magnete

È anche possibile realizzare un motore elettrico senza magneti permanenti. I motori a induzione, a riluttanza o con eccitazione in rame sfruttano tutti soluzioni prive di magneti.

In un caso, BMW sta già utilizzando motori sincroni ad eccitazione esterna (EESM) nei suoi veicoli elettrici. Sviluppati internamente e prodotti nello stabilimento di Steyr, in Austria (i carter in alluminio pressofuso provengono dallo stabilimento di Landshut in Germania), questi "motori elettrici" saranno presenti nei propulsori elettrici Gen6 utilizzati nei prossimi veicoli "Neue Klasse".

"Le perdite di energia si riducono del 40%, i costi del 20% e il peso del 10%. Tutto ciò contribuisce in modo significativo all'aumento di circa il 20% dell'efficienza complessiva del veicolo", ha spiegato Martin Kaufmann, responsabile dello sviluppo globale dei gruppi propulsori di BMW.

I motori elettrici BMW Gen6 senza magneti sono ora in produzione nello stabilimento di Steyr (Foto: BMW)

Invece di magneti permanenti, gli EESM utilizzano una corrente continua esterna per eccitare gli avvolgimenti di rame attorno al rotore e creare un campo magnetico. Le correnti alternate nello statore producono un campo magnetico rotante, su cui il rotore si aggancia – da qui il termine "sincrono" nel nome. La corrente erogata al rotore può essere regolata per controllare la coppia e ottimizzare l'efficienza.

Il risultato è un motore ad alta efficienza che offre un campo magnetico controllabile. Sebbene la densità di coppia sia leggermente inferiore a quella di un motore che utilizza magneti permanenti con terre rare, il sistema può costare meno se i prezzi delle terre rare sono elevati.

Compressione della bobina

Esistono altre soluzioni senza magneti. Advanced Electric Machines, con sede nel Regno Unito, ha sviluppato una serie di motori destinati ad applicazioni su strada e fuoristrada. I motori utilizzano la tecnologia di compressione delle bobine, un processo in cui le bobine dello statore vengono avvolte e poi compresse meccanicamente. Ciò si traduce in un "fattore di riempimento" molto elevato per gli avvolgimenti, compreso tra il 60 e l'85%, che rende il motore più efficiente in termini di produzione di energia e raffreddamento.

L'azienda ha recentemente presentato il suo motore HDRM300C di seconda generazione. Progettato per applicazioni su veicoli commerciali e pesanti, il nuovo modello dovrebbe superare un fattore di riempimento degli slot dell'80%. Inoltre, utilizzando avvolgimenti in alluminio, i motori sono completamente riciclabili.

I nuovi connettori plug-in hanno sostituito i precedenti raccordi a pressacavo, semplificando l'installazione e la manutenzione e massimizzando l'affidabilità. Il motore è inoltre dotato di cuscinetti e collegamenti a barra collettrice migliorati per supportare velocità operative più elevate.

Andando avanti

La questione multimiliardaria è se i motori elettrici che utilizzano magneti prodotti con terre rare saranno sostituiti da modelli che utilizzano una tecnologia senza magneti.

I magneti prodotti utilizzando minerali di terre rare offrono prestazioni molto favorevoli in termini di peso e dimensioni. Questo, unito al fatto che si tratta di una tecnologia "nota" e già in uso, significa che, sebbene alcuni veicoli leggeri potrebbero passare a motori senza magneti, la maggior parte probabilmente rimarrà fedele a questa tecnologia.

In altri settori, il piccolo aumento di dimensioni e peso dei modelli senza magneti potrebbe rappresentare un inconveniente minore, accelerando il passaggio a questi tipi di motori nei camion pesanti e negli autobus, in particolare in questi ultimi, poiché sempre più città e comuni stanno passando a reti di trasporto a zero emissioni.

Quindi, il predominio della Cina nel mercato delle terre rare sembra destinato a continuare. Tuttavia, laddove l'idoneità dei veicoli e il sostegno degli investimenti si sovrappongono, ci sono chiaramente opportunità per aggirare il mercato delle terre rare e beneficiare dei relativi vantaggi.