Nel competitivo scenario della produzione mondiale di automobili e camion elettrici, una svolta rivoluzionaria nella scienza dei materiali sta per trasformare la tecnologia dei motori: un materiale magnetico bifase sviluppato dai ricercatori di General Electric Aerospace (GE Aerospace) promette di eliminare l’uso delle terre rare nei motori, mantenendo o superando le prestazioni dei migliori sistemi di propulsione attuali. Questo avanzamento potrebbe rompere il monopolio delle terre rare e risolvere i rischi della catena di approvvigionamento che affliggono l’industria automobilistica elettrica da decenni.
Per capire l’importanza di questa innovazione, è fondamentale partire dalle basi dei motori a riluttanza sincrona, il tipo di motore che questo nuovo materiale potrebbe rivoluzionare. Come tutti i motori elettrici, è composto da uno statore e un rotore. Lo statore genera un campo magnetico rotante che magnetizza e agisce sul rotore, generalmente realizzato in acciaio elettrico, un’legatura ferromagnetica. Il rotore gira grazie a un fenomeno chiamato riluttanza, una proprietà che fa sì che i materiali ferromagnetici si allineino con le linee di flusso di un campo magnetico. Quando il campo magnetico rotante dello statore si muove, il rotore magnetizzato si allinea costantemente con esso, generando coppia.
Il problema chiave nei design tradizionali riguarda le strutture del rotore chiamate “ponti” e “pilastri”, che collegano le sue sezioni magnetiche. Nei rotori convenzionali, questi componenti sono fatti dello stesso materiale ferromagnetico del resto del rotore, quindi vengono magnetizzati. Questa magnetizzazione causa interferenze tra le linee di flusso magnetico, riducendo l’efficienza e limitando la potenza del motore. Per minimizzare questo problema, gli ingegneri hanno progettato ponti e pilastri stretti, ma questo indebolisce la resistenza meccanica del rotore, limitando la sua velocità di rotazione e, di conseguenza, la potenza del motore.
Ecco dove il materiale bifase fa la differenza. La sua proprietà unica è che, quando è esposto a un campo magnetico forte, aree distinte del materiale assumono livelli di magnetizzazione estremamente contrastanti: o sono completamente non magnetizzate, o sono altamente magnetizzate. Ciò consente ai ponti e ai pilastri di non essere magnetizzati, pur risultando più larghi e robusti. In questo modo, si eliminano le interferenze magnetiche senza compromettere la resistenza meccanica. I test del motore sperimentale di GE Aerospace dimostrano questo impatto: a 14.000 giri al minuto, produce 23 kilowatt, rispetto a soli 3,7 kilowatt di un rotore tradizionale di un motore a riluttanza sincrona nelle stesse condizioni. Inoltre, l’efficienza di picco del motore GE è del 94%, paragonabile ai migliori motori utilizzati oggi negli autoveicoli elettrici commerciali.
“Acredito che questo materiale cambierà le regole del gioco”, dice Ayman El-Refaie, Fellow IEEE e professore di ingegneria elettrica e informatica presso l’Università Marquette di Milwaukee, Wisconsin, che ha avviato il progetto del materiale bifase presso General Electric nel 2005. Il suo entusiasmo non si basa solo sui risultati attuali, ma anche sul potenziale del materiale oltre il motore a riluttanza sincrona.
Infatti, i vantaggi del materiale bifase non sono limitati a un singolo tipo di motore. Ricerche condotte presso l’Università Marquette, l’Università di Gyeongsang in Corea del Sud e l’Università Tecnologica di Ufa in Russia hanno dimostrato che il materiale bifase offre vantaggi nei motori sincroni a magneti permanenti e nei generatori. “I benefici non sono limitati ai motori a magneti permanenti interni (IPM)”, spiega El-Refaie. “Offre vantaggi anche in altri tipi di macchine per motivi diversi”.
Nonostante queste prospettive promettenti, ci sono ancora notevoli sfide sulla strada verso la commercializzazione. Uno svantaggio attuale del materiale è la sua densità di flusso di saturazione massima di 1,5 Tesla, notevolmente inferiore al limite dell’acciaio elettrico convenzionale, che raggiunge i 2 Tesla. La densità di flusso è una misura della magnetizzabilità di un materiale, e un aumento di questa proprietà è oggetto di ulteriori sviluppi.
Gli ostacoli più grandi, tuttavia, sono nella produzione. Frank Johnson, membro senior del team di ricerca sul materiale bifase di General Electric e oggi Chief Technology Officer di Niron Magnetics, spiega: “La ricerca di produttori di acciaio disposti e in grado di produrre le lamiere metalliche laminate per la fabbricazione di rotori bifase è un ostacolo importante. Le leghe che abbiamo sviluppato hanno elementi a basso costo, il che crea un paradosso: diventa un caso commerciale difficile, a meno che non ci sia una produzione molto vasta e investimenti considerevoli in attrezzature”.
Attualmente, nessuna azienda offre materiali magnetici bifase adatti alle macchine ad alta potenza. Oltre a General Electric Aerospace, l’unica altra azienda nota che lavora allo sviluppo di tali materiali è Proterial, ex Hitachi Metals. GE Aerospace ha rifiutato di permettere ai suoi ricercatori di partecipare a interviste su questo argomento, quindi non è chiaro se licenzi will o produrrà il materiale stesso.
Tuttavia, il potenziale del materiale bifase è indubbio. Se potesse essere prodotto su larga scala, avrebbe un impatto che va oltre l’industria automobilistica elettrica. La produzione globale di automobili e camion elettrici sta crescendo costantemente, e con essa la domanda di sistemi di propulsione potenti, affidabili e sostenibili. Le terre rare come il neodimio e il disprosio, utilizzate nei motori a magneti permanenti attuali, portano alti costi ambientali e rischi per la catena di approvvigionamento, con la Cina che domina quasi completamente il loro mercato. Una via per liberarsi da questa dipendenza sarebbe un punto di svolta per il settore.
“Il maggiore ostacolo alla commercializzazione non è forse il progresso tecnologico”, sottolinea Johnson. Piuttosto, si tratta di creare l’infrastruttura industriale per produrre il materiale in grandi quantità. Ciò richiede collaborazione tra scienziati dei materiali, ingegneri dei motori e produttori di acciaio, nonché investimenti in impianti di produzione specializzati che non esistono attualmente.
El-Refaie è fiducioso che possano essere compiuti ulteriori progressi. “Con ulteriori sviluppi, il materiale bifase di General Electric può essere migliorato”, dice. Oltre all’aumento della densità di flusso di saturazione, adattamenti alla lega potrebbero migliorare la fabbricabilità e ridurre i costi, prerequisiti per una vasta accettazione nell’industria.
L’importanza di questa innovazione si farà pienamente sentire solo quando passerà dal laboratorio alle fabbriche. Per le automobili elettriche, ciò significherebbe avere motori non solo più potenti ed efficienti, ma anche più stabili nella catena di approvvigionamento e più ecologici nella produzione. Per i produttori, offrirebbe la possibilità di essere meno dipendenti dalle fluttuazioni dei prezzi delle terre rare e di aprire nuovi mercati dove la sostenibilità e la sicurezza delle approvvigionamenti sono priorità alti.
Anche per i consumatori, ci sarebbero vantaggi: costi di produzione più bassi potrebbero portare a automobili elettriche più accessibili, senza compromettere le prestazioni o l’affidabilità. Inoltre, la riduzione delle terre rare diminuirebbe ulteriormente l’impronta ecologica delle automobili elettriche, un passo importante per sfruttare appieno il potenziale della mobilità elettrica per la protezione climatica.
In un periodo in cui l’industria automobilistica elettrica cerca costantemente soluzioni migliori, più veloci e più sostenibili, il materiale magnetico bifase potrebbe giocare un ruolo centrale. Rappresenta non solo una svolta epocale tecnologica, ma anche una possibilità di diversificare le catene di approvvigionamento globali e democratizzare la mobilità elettrica, liberandola dalle limitazioni delle terre rare.
Il viaggio dalla ricerca alla produzione di massa sarà lungo e impegnativo. Ma se le sfide saranno superate, il materiale bifase sviluppato da GE Aerospace potrebbe avviare un’era nel design dei motori, in cui prestazioni e sostenibilità vanno di pari passo, e le terre rare diventino un relicto del passato.
Autore: Glenn Zorpette
Affiliazione: IEEE Spectrum
DOI: 10.1109/MSPEC.2024.2300123