youmadam

Για να τονίσει το σημείο, ο Κάμπελ έκανε κλικ ανάμεσα σε ένα ζευγάρι διαφανειών που αναφέρονται σε τρία μυστηριώδη υλικά, με χρήσιμες ετικέτες Uncommon Earths 1, 2 και 3. Στην πρώτη διαφάνεια, που αντιπροσωπεύει το παρόν του Tesla, οι ποσότητες κυμαίνονται από μισό κιλό έως 10 γραμμάρια. Την επόμενη —το Tesla μιας απροσδιόριστης μελλοντικής ημερομηνίας— όλα τέθηκαν στο μηδέν.

Για τους μαγνητιστές, τους ανθρώπους που μελετούν τις ασυνήθιστες δυνάμεις που ασκούν ορισμένα υλικά χάρη στις κινήσεις των ηλεκτρονίων και μερικές φορές χρησιμοποιούν κρυπτικές χειρονομίες, η ταυτότητα του Uncommon Earth 1 ήταν προφανής: το νεοδύμιο. Όταν προστεθεί σε πιο οικεία στοιχεία, όπως ο σίδηρος και το βόριο, το μέταλλο μπορεί να βοηθήσει στη δημιουργία ενός ισχυρού, πάντα ενεργού μαγνητικού πεδίου. Αλλά λίγα υλικά έχουν αυτή την ποιότητα. Και ακόμη λιγότερα παράγουν ένα πεδίο που είναι αρκετά ισχυρό για να κινήσει ένα Tesla 4.500 λιβρών—και πολλά άλλα πράγματα, από βιομηχανικά ρομπότ μέχρι μαχητικά αεροσκάφη. Εάν η Tesla σχεδίαζε να εξαλείψει το νεοδύμιο και άλλες σπάνιες γαίες από τους κινητήρες της, τι είδους μαγνήτες θα χρησιμοποιούσε αντ’ αυτού;

Ένα πράγμα ήταν ξεκάθαρο για τους φυσικούς: ο Τέσλα δεν είχε εφεύρει ένα θεμελιωδώς νέο υλικό μαγνήτη. «Έχετε έναν νέο εμπορικό μαγνήτη μερικές φορές τον αιώνα», λέει ο Andy Blackburn, EVP στρατηγικής της Niron Magnetics, μιας από τις λίγες νεοφυείς επιχειρήσεις που προσπαθούν να σημειώσουν την επόμενη τέτοια αποκάλυψη.

Πιθανότερο, κατάλαβαν η Blackburn και άλλες κεφαλές ροής, ήταν ότι η Tesla είχε αποφασίσει ότι μπορεί να αντεπεξέλθει με έναν πολύ λιγότερο ισχυρό μαγνήτη. Ο προφανής υποψήφιος από τη σύντομη λίστα δυνατοτήτων, οι περισσότερες από τις οποίες περιλαμβάνουν ακριβά και γεωπολιτικά γεμάτα στοιχεία όπως το κοβάλτιο, ήταν ο φερρίτης: ένα κεραμικό από σίδηρο και οξυγόνο, αναμεμειγμένο με λίγο μέταλλο όπως το στρόντιο. Είναι φθηνό και εύκολο στην κατασκευή του και έχει κρατήσει τις πόρτες του ψυγείου παντού κλειστές από τη δεκαετία του 1950.

Αλλά ο φερρίτης συσκευάζει μόνο περίπου το ένα δέκατο της μαγνητικής διάτρησης ως μαγνήτες νεοδυμίου, κατ’ όγκο, γεγονός που εγείρει νέα ερωτήματα. Ο Διευθύνων Σύμβουλος της Tesla, Έλον Μασκ, είναι γνωστός ότι είναι ασυμβίβαστος, αλλά αν η Tesla μεταβεί στον φερρίτη, φάνηκε ότι κάτι πρέπει να δώσει. (Η εταιρεία δεν απάντησε σε αίτημα για σχολιασμό.)

Είναι δελεαστικό να πιστεύουμε ότι η μπαταρία είναι αυτό που κάνει ένα EV να λειτουργεί, αλλά στην πραγματικότητα είναι ηλεκτρομαγνητισμός που κινεί ένα ηλεκτρικό αυτοκίνητο. (Δεν είναι τυχαίο ότι η Tesla, η εταιρεία, και η Tesla, η μονάδα του μαγνητισμού, ονομάζονται από τον ίδιο τύπο.) Όταν τα ηλεκτρόνια ρέουν μέσα από πηνία σύρματος στον κινητήρα, δημιουργούν ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο που ωθεί τις αντίθετες μαγνητικές δυνάμεις, περιστρέφοντας τον άξονα του κινητήρα και προκαλεί σπινάρισμα των τροχών.

Για τους πίσω τροχούς ενός Tesla, αυτές οι δυνάμεις παρέχονται από έναν κινητήρα με μόνιμους μαγνήτες, υλικά με την περίεργη ιδιότητα να έχουν σταθερό μαγνητικό πεδίο, χωρίς καμία ηλεκτρική είσοδο, χάρη στην καλά ενορχηστρωμένη σπιν των ηλεκτρονίων γύρω από τα άτομά του. Η Tesla άρχισε να προσθέτει αυτούς τους μαγνήτες στα αυτοκίνητά της πριν από περίπου πέντε χρόνια για να διανύσει περισσότερα μίλια και να ενισχύσει τη ροπή χωρίς να αναβαθμίσει την μπαταρία. Πριν από αυτό χρησιμοποιούσε επαγωγικούς κινητήρες χτισμένους γύρω από ηλεκτρομαγνήτες, οι οποίοι γίνονται μαγνήτες καταναλώνοντας ηλεκτρικό ρεύμα. (Αυτά εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται σε μοντέλα που έχουν μπροστινούς κινητήρες.)

Αυτό μπορεί να κάνει το να απαλλαγούμε από τις σπάνιες γαίες και να απορρίπτουμε τους καλύτερους μαγνήτες τριγύρω να φαίνεται λίγο περίεργο. Οι εταιρείες αυτοκινήτων συνήθως έχουν εμμονή με την αποτελεσματικότητα – ειδικά στην περίπτωση των ηλεκτρικών οχημάτων, όπου ο αγώνας συνεχίζεται για να πειστούν οι οδηγοί να ξεπεράσουν τους φόβους τους για περιορισμένη εμβέλεια. Αλλά καθώς οι αυτοκινητοβιομηχανίες αρχίζουν να κλιμακώνουν την παραγωγή EV, κάποια μηχανική που θεωρούνταν πολύ αναποτελεσματική επιστρέφει.

Αυτό φαίνεται στις αυτοκινητοβιομηχανίες – μεταξύ αυτών η Tesla – που παράγουν περισσότερα οχήματα με μπαταρίες κατασκευασμένες με LFP, φωσφορικό σίδηρο λιθίου. Αυτά τείνουν να είναι μοντέλα χαμηλότερης εμβέλειας από εκείνα με μπαταρίες που περιέχουν στοιχεία όπως κοβάλτιο και νικέλιο. Είναι παλαιότερης τεχνολογίας. Πιο βαρύ; Σίγουρος. Συσκευάζει λιγότερη ενέργεια, επίσης. (Το τρέχον μοντέλο 3 που λειτουργεί με LFP υπόσχεται εμβέλεια 272 μιλίων, ενώ ένα μοντέλο S μεγάλης εμβέλειας με πιο φανταχτερή μπαταρία μπορεί να ξεπεράσει τα 400.) Αλλά μπορεί να είναι μια πιο έξυπνη επιχειρηματική επιλογή, επειδή αποφεύγει να ασχολείται με ακριβά και πολιτικά πονηρά υλικά.

Ωστόσο, είναι απίθανο η Tesla να αντικαθιστά απλώς τους μαγνήτες της με κάτι πολύ χειρότερο, όπως ο φερρίτης, χωρίς να κάνει άλλες αλλαγές. «Θα έχετε έναν τεράστιο μαγνήτη για να μεταφέρετε σε ένα αυτοκίνητο», λέει η Alena Vishina, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Ουψάλα. Ευτυχώς, ένας κινητήρας είναι μια αρκετά περίπλοκη μηχανή με πολλά άλλα εξαρτήματα που, θεωρητικά, μπορούν να αναδιαταχθούν για να αμβλύνουν την ποινή της χρήσης ασθενέστερων μαγνητών. Σε μοντέλα υπολογιστών, η εταιρεία υλικών Proterial προσδιόρισε πρόσφατα ότι τοποθετώντας προσεκτικά τους μαγνήτες φερρίτη και τροποποιώντας άλλες πτυχές του σχεδιασμού του κινητήρα, μπορούν να αναπαραχθούν πολλές μετρήσεις απόδοσης κινητήρων που οδηγούνται από σπάνιες γαίες. Το αποτέλεσμα σε αυτή την περίπτωση ήταν ένας κινητήρας που είναι μόνο περίπου 30 τοις εκατό βαρύτερος, μια διαφορά που θα μπορούσε να είναι μικρή σε σχέση με τον συνολικό όγκο ενός αυτοκινήτου.

Παρά τους τέτοιους πονοκεφάλους, υπάρχουν πολλοί λόγοι για μια εταιρεία αυτοκινήτων να απαλλαγεί από τα στοιχεία σπάνιων γαιών, αν μπορεί να τα ταλαντώσει. Από τις αρχές της δεκαετίας του 1990, όταν ο ηγέτης της Κίνας, Ντενγκ Σιαοπίνγκ, δήλωσε ότι τα μέταλλα είναι ισοδύναμα της χώρας του με το πετρέλαιο της Σαουδικής Αραβίας, ήταν ένα είδος τσιτάτου για τις γεωπολιτικές ανησυχίες του Ειρηνικού. Μην πειράζετε ότι οι σπάνιες γαίες δεν είναι τίποτα σαν το πετρέλαιο – η συνολική αγορά αξίζει περίπου το ίδιο με την αγορά αυγών των ΗΠΑ και τα στοιχεία μπορούν θεωρητικά να εξορυχθούν, να υποστούν επεξεργασία και να μετατραπούν σε μαγνήτες σε όλο τον κόσμο. Αλλά η Κίνα είναι το μόνο μέρος που τα κάνει όλα αυτά.

Το σχεδόν μονοπώλιο της Κίνας οφείλεται εν μέρει στα οικονομικά — τη δεκαετία του 1990, φθηνές κινεζικές σπάνιες γαίες πλημμύρισαν την αγορά, επισπεύδοντας το κλείσιμο των ορυχείων και της επεξεργασίας σε μέρη όπως οι ΗΠΑ — και εν μέρει λόγω περιβαλλοντικών ανησυχιών. Η εξόρυξη και ο καθαρισμός σπάνιων γαιών είναι μια διαβόητη τοξική επιχείρηση, εν μέρει επειδή τα πιο πολύτιμα στοιχεία, όπως το νεοδύμιο που ενισχύει τον μαγνήτη, συνδέονται στενά με άλλες σπάνιες γαίες, καθώς και με ραδιενεργά στοιχεία όπως το ουράνιο και το θόριο. Σήμερα, η Κίνα παράγει σχεδόν τα δύο τρίτα των σπάνιων γαιών που εξορύσσονται παγκοσμίως και επεξεργάζεται περισσότερο από το 90 τοις εκατό των μαγνητών του κόσμου.

«Έχετε μια βιομηχανία 10 δισεκατομμυρίων δολαρίων, η οποία επιτρέπει προϊόντα αξίας μεταξύ 2 και 3 τρισεκατομμυρίων δολαρίων το χρόνο. Είναι τεράστια δύναμη», λέει ο Thomas Kruemmer, αναλυτής ορυκτών και συγγραφέας του δημοφιλούς ιστολογίου Uncommon Earth Observer. Αυτό ισχύει και για τα αυτοκίνητα, λέει — ακόμα κι αν περιέχουν λίγα κιλά από το υλικό. Το να τα βγάλεις σημαίνει ότι το αυτοκίνητο δεν θα πάει (εκτός αν είσαι διατεθειμένος να επανασχεδιάσεις ολόκληρο τον κινητήρα).

Οι ΗΠΑ και η Ευρώπη προσπαθούν να διαφοροποιήσουν αυτήν την αλυσίδα εφοδιασμού. Ένα ορυχείο στην Καλιφόρνια που έκλεισε στις αρχές της δεκαετίας του 2000 άνοιξε ξανά πρόσφατα και τώρα προμηθεύει το 15 τοις εκατό των σπάνιων γαιών του κόσμου — αν και αυτό το μετάλλευμα αποστέλλεται στην Κίνα για επεξεργασία. Στις ΗΠΑ, οι κυβερνητικές υπηρεσίες -ειδικά το Υπουργείο Άμυνας, το οποίο χρειάζεται ισχυρούς μαγνήτες για εξοπλισμό, συμπεριλαμβανομένων αεροσκαφών και δορυφόρων- επιθυμούν να επενδύσουν σε αλυσίδες εφοδιασμού στο εσωτερικό και σε φιλικά μέρη όπως η Ιαπωνία και η Ευρώπη. (Το Υπουργείο Ενέργειας, εν τω μεταξύ, εξετάζει πώς να χρησιμοποιήσει τα φύκια για τη δέσμευση σπάνιων γαιών από το θαλασσινό νερό.) Αλλά προχωρά αργά – χρόνια ή και δεκαετίες σε εξέλιξη, δεδομένου του κόστους, της απαιτούμενης τεχνογνωσίας και των περιβαλλοντικών ζητημάτων.

Εν τω μεταξύ, αυξάνεται η ζήτηση για μαγνήτες που είναι ενσωματωμένοι στα εργαλεία απανθρακοποίησης, όπως τα αυτοκίνητα και οι ανεμογεννήτριες. Επί του παρόντος, το 12 τοις εκατό των σπάνιων γαιών πηγαίνουν στα ηλεκτρικά οχήματα, σύμφωνα με την Adamas Intelligence, μια αγορά που μόλις τώρα απογειώνεται. Ταυτόχρονα, οι τιμές των σπάνιων γαιών έχουν εκτοξευθεί πρόσφατα λόγω των εσωτερικών κινεζικών αγορών και των πολιτικών παρεμβάσεων που οι εξωτερικές εταιρείες δεν μπορούν πάντα να προβλέψουν.

Συνολικά, εάν είστε σε μια επιχείρηση όπου μπορείτε να κάνετε μια εναλλακτική δουλειά, είναι πιθανώς λογικό να το κάνετε, λέει ο Jim Chelikowsky, ένας φυσικός που μελετά μαγνητικά υλικά στο Πανεπιστήμιο του Τέξας, στο Austin. Υπάρχουν όμως κάθε είδους λόγοι, λέει, για να αναζητήσουμε καλύτερες εναλλακτικές λύσεις για τους μαγνήτες σπάνιων γαιών από τον φερρίτη. Η πρόκληση είναι να βρούμε υλικά με τρεις βασικές ιδιότητες: Πρέπει να είναι μαγνητικά, να συγκρατούν αυτόν τον μαγνητισμό παρουσία άλλων μαγνητικών πεδίων και να ανέχονται υψηλές θερμοκρασίες. Οι θερμοί μαγνήτες παύουν να είναι μαγνήτες.

Οι ερευνητές έχουν μια πολύ καλή αίσθηση του ποια χημικά στοιχεία μπορούν να κάνουν καλούς μαγνήτες, αλλά υπάρχουν εκατομμύρια δυνητικές ατομικές διατάξεις. Μερικοί κυνηγοί μαγνήτων έχουν υιοθετήσει την προσέγγιση να ξεκινήσουν με εκατοντάδες χιλιάδες πιθανά υλικά, να πετάξουν εκείνα με μειονεκτήματα όπως το να περιέχουν σπάνιες γαίες και στη συνέχεια να χρησιμοποιήσουν τη μηχανική μάθηση για να προβλέψουν τις μαγνητικές ιδιότητες αυτών που έχουν απομείνει. Στα τέλη του περασμένου έτους, ο Chelikowsky δημοσίευσε αποτελέσματα από τη χρήση του συστήματος για τη δημιουργία ενός νέου εξαιρετικά μαγνητικού υλικού που περιέχει κοβάλτιο. Αυτό δεν είναι ιδανικό, γεωπολιτικά μιλώντας, αλλά είναι ένα σημείο εκκίνησης, λέει.

Συχνά η μεγαλύτερη πρόκληση είναι η εύρεση νέων μαγνητών που είναι εύκολο να κατασκευαστούν. Ορισμένοι μαγνήτες που αναπτύχθηκαν πρόσφατα, όπως αυτοί που περιέχουν μαγγάνιο, είναι πολλά υποσχόμενοι, εξηγεί ο Vishina στο Πανεπιστήμιο της Ουψάλα, αλλά και ασταθείς. Σε άλλες περιπτώσεις, οι επιστήμονες γνωρίζουν ότι ένα υλικό είναι εξαιρετικά μαγνητικό, αλλά δεν μπορεί να δημιουργηθεί χύμα. Αυτό περιλαμβάνει τον τετραταενίτη, μια ένωση νικελίου-σιδήρου που είναι γνωστή μόνο από μετεωρίτες που πρέπει να κρυώσουν αργά για χιλιάδες χρόνια για να τακτοποιήσουν με ακρίβεια τα άτομά τους στη σωστή κατάσταση. Οι προσπάθειες να γίνει πιο γρήγορα στο εργαστήριο συνεχίζονται αλλά δεν έχουν ακόμη αποδώσει καρπούς.

Η Niron, η startup με μαγνήτες, βρίσκεται λίγο πιο μακριά, με έναν μαγνήτη νιτριδίου σιδήρου που η εταιρεία λέει ότι είναι θεωρητικά πιο μαγνητικός από το νεοδύμιο. Αλλά είναι επίσης ένα ευμετάβλητο υλικό, δύσκολο να κατασκευαστεί και να διατηρηθεί σε μια επιθυμητή μορφή. Η Blackburn λέει ότι η εταιρεία σημειώνει πρόοδο, αλλά δεν θα παράγει μαγνήτες αρκετά ισχυρούς για να μεταμορφώσει εγκαίρως τα EV για την επόμενη γενιά οχημάτων της Tesla. Το πρώτο βήμα, λέει, είναι να τοποθετηθούν οι νέοι μαγνήτες σε μικρότερες συσκευές όπως τα ηχητικά συστήματα.

Δεν είναι σαφές εάν και άλλες αυτοκινητοβιομηχανίες θα ακολουθήσουν τη συμφωνία της Tesla για τις σπάνιες γαίες, λέει ο Kruemmer. Μερικοί μπορεί να κολλήσουν με τα υλικά που έχουν φορτωθεί με αποσκευές, ενώ άλλοι να πάνε με επαγωγικούς κινητήρες ή να δοκιμάσουν κάτι νέο. Ακόμη και η Tesla, λέει, πιθανότατα θα έχει μερικά γραμμάρια σπάνιων γαιών πασπαλισμένα στα μελλοντικά οχήματά της, απλωμένα σε πράγματα όπως τα αυτόματα παράθυρα, το υδραυλικό τιμόνι και οι υαλοκαθαριστήρες. (Σε μια πιθανή παρατήρηση, οι διαφάνειες που αντιπαραβάλλουν το περιεχόμενο σπάνιων γαιών στην εκδήλωση επενδυτών της Tesla συνέκριναν στην πραγματικότητα ένα ολόκληρο αυτοκίνητο τρέχουσας γενιάς με ένα μέλλον μοτέρ.) Παρά τις λύσεις όπως αυτές που βρίσκονται στο στάδιο των εργασιών στην Tesla, οι μαγνήτες σπάνιων γαιών που προέρχονται από την Κίνα θα παραμείνουν μαζί μας – συμπεριλαμβανομένου του Έλον Μασκ – ειδικά καθώς ο κόσμος πιέζει να απελευθερωθεί από τον άνθρακα. Μπορεί να είναι ωραίο να αντικαταστήσουμε τα πάντα, αλλά όπως λέει ο Kruemmer, «απλώς δεν έχουμε τον χρόνο».