Oltre le terre rare: la rivoluzione dei motori elettrici che cambierà l’auto elettrica
La transizione verso un trasporto elettrico è uno dei pilastri per combattere il cambiamento climatico, ma nasconde un dilemma cruciale: quasi tutti i motori di trazione dei veicoli elettrici (VE) oggi dipendono da terre rare. Questi elementi, presenti negli immagini di neodimio-ferro-boro (NdFeB) che alimentano la maggior parte dei modelli, non solo causano gravi danni ambientali durante l’estrazione e il processing, ma creano anche fragilità nelle catene di approvvigionamento: il 90% del processing globale delle terre rare è concentrato in Cina, esponendo i produttori mondiali a rischi geopolitici e economici.
Ma una rivoluzione silenziosa sta trasformando l’industria automobilistica. Dai laboratori statunitensi alle aziende leader del settore, si stanno sviluppando motori elettrici che riducono o eliminano completamente le terre rare, aprendo la strada a un’auto elettrica più sostenibile, autonoma e efficiente. Questo non è solo un progresso tecnico: è un cambiamento che ridefinisce ciò che significa un veicolo “veramente verde”.
Perché le terre rare sono un problema irreversibile
Le terre rare (REE, Rare Earth Elements) sono elementi chimici con proprietà magnetiche uniche. Quando legati a ferro o cobalto, formano composti con alti valori di prodotto di energia massima (tra 30 e 55 MGOe per gli NdFeB), remanenza (forza magnetica residua dopo la magnetizzazione) e coercività (resistenza alla smagnetizzazione). Queste caratteristiche sono essenziali per creare motori compatti, leggeri ed efficienti, motivo per cui dominano il mercato degli VE oggi.
Ma il costo ambientale è elevato. L’estrazione delle terre rare richiede l’uso di acidi tossici che contaminano suoli e acque, mentre il processing genera rifiuti pericolosi. A livello strategico, la dipendenza da un unico fornitore globale crea vulnerabilità: qualsiasi interruzione nell’offerta potrebbe bloccare la produzione di veicoli elettrici in tutto il mondo. “Siamo in una situazione paradossale”, spiega Vandana Rallabandi, ricercatrice del Oak Ridge National Laboratory (ORNL) nel Tennessee. “Cerchiamo di creare un sistema di trasporto più ecologico, ma dipendiamo da materiali che compromettono questo obiettivo”.
L’industria reagisce: alleanze e progetti ambiziosi
La necessità di liberarsi dalle terre rare ha spinto le aziende a formare alleanze e investire in ricerca. Nel novembre 2023, General Motors e Stellantis hanno annunciato una collaborazione con Niron Magnetics, una startup, per sviluppare motori elettrici utilizzando immagini permanenti senza terre rare basate su nitruro di ferro (FeN). La notizia è seguita da una rivelazione shocks di Tesla: nel marzo 2023, un alto executive ha dichiarato che la “prossima unità di trazione” dell’azienda utilizzerà immagini permanenti “senza alcuna terra rare”, una affermazione che ha sconvolto l’industria.
In Europa, l’Alleanza Passenger, un consorzio di 20 partner industriali e accademici, lavora su immagini permanenti senza terre rare specificamente per gli VE. Nel frattempo, il gruppo ZF, un importante fornitore automobilistico, ha presentato un motore sincrono sperimentale con eccitazione per induzione nel rotore, che utilizza elettroimmagini sia nello stator che nel rotore per eliminare completamente le terre rare. Test iniziali indicano che questo motore da 220 kW può corrispondere alle prestazioni dei modelli tradizionali basati su NdFeB.
“Questi sforzi non si limitano a sostituire immagini, ma a ridefinire come un motore genera coppia”, spiega Burak Ozpineci, altro ricercatore dell’ORNL. “La chiave è combinare materiali intelligenti e configurazioni ingegneristiche per compensare la perdita delle proprietà magnetiche delle terre rare”.
La scienza dietro la sostituzione: materiali e design innovativi
Sostituire le terre rare richiede superare una sfida fondamentale: nessun materiale senza terre rare combina il prodotto di energia massima, la remanenza e la coercività dell’NdFeB. Gli ingegneri seguono due strategie principali: utilizzare immagini permanenti senza terre rare o progettare motori che non richiedano affatto immagini permanenti.
Immagini permanenti senza terre rare: compromessi e innovazioni
Gli immagini di ferrite, realizzati con ossido di ferro e stronzio, sono l’alternativa più comune. Sono economici e abbondanti, ma il loro prodotto di energia (3-5 MGOe) è molto inferiore a quello dell’NdFeB, il che richiede design più voluminosi. Per compensare, gli ingegneri hanno sviluppato motori a ferrite in configurazione “spoke” (raggio), che concentrano il flusso magnetico come un imbuto accelerano l’acqua. Questi modelli raggiungono una coppia simile a quelli con terre rare, ma sono più pesanti del 30% e più complessi da produrre.
Gli immagini di alnico (leghe di alluminio, nichel e cobalto) hanno una remanenza alta, ma la loro coercività è bassa, il che li rende suscettibili alla smagnetizzazione. Per risolvere questo problema, ricercatori del Ames Laboratory hanno sviluppato motori a “memoria di flusso variabile”, che utilizzano corrente elettrica per stabilizzare la magnetizzazione. Sebbene ancora in fase sperimentale, questi design riducono il rischio di smagnetizzazione del 40%.
Una promettente alternativa è il nitruro di ferro (FeN), sviluppato da Niron Magnetics. Questo materiale ha una remanenza paragonabile all’NdFeB, ma la sua coercività è un quinto di quella dell’imagine di terre rare. Per superare questo limite, Niron e GM stanno lavorando a rotori progettati per proteggere il FeN dai campi magnetici esterni, una sfida tecnica che potrebbe essere risolta nei prossimi anni.
Gli immagini di manganese-bismuto (MnBi) sono un altro candidato. Offrono una remanenza e coercività maggiori rispetto alla ferrite, sebbene inferiori all’NdFeB. Test svolti all’ORNL hanno mostrato che i motori con MnBi possono generare la stessa coppia dei modelli con terre rare, ma con un volume maggiore del 60% e un peso superiore del 65%. Il loro vantaggio: riducono i costi totali del 32%, il che li rende attraenti per veicoli commerciali e flotte.
Motori senza immagini permanenti: la rivoluzione della reluctanza
I motori a reluctanza sincrona (SynRM) non utilizzano immagini permanenti, il che li rende completamente privi di terre rare. Funzionano grazie alla reluctanza: la resistenza di un materiale al flusso magnetico. Il rotore, realizzato in acciaio ferromagnetico, ruota per allinearsi con il campo magnetico dello stator, generando coppia senza immagini.
Storicamente, i SynRM erano meno efficienti dei motori a immagini permanenti, ma i modelli moderni integrano piccole ferrite per aumentare la coppia (chiamati SynRM assistiti), riducendo il gap di efficienza a soli 2-3%. Produttori come Volkswagen e Ford stanno testando questi motori in modelli elettrici compatti, con risultati positivi in termini di consumo e durata.
Un’altra alternativa sono i motori con rotore bobinato, che utilizzano elettroimmagini nel rotore alimentati da trasformatori rotativi (senza spazzole o anelli collettori, che si usano). Questo design elimina problemi di manutenzione e è 100% libero da terre rare. Il motore sperimentale della ZF utilizza questa tecnologia, raggiungendo 20.000 rpm con raffreddamento ad aria, un traguardo tecnico che dimostra la sua fattibilità.
Design ibridi: combinare le forze
I motori a immagini permanenti interni (IPM), utilizzati da Toyota, GM e Tesla, integrano immagini nel rotore per sfruttare sia l’attrazione magnetica che la coppia di reluctanza. Grazie a questo design, Toyota ha ridotto la massa di immagini nel Prius da 1,2 kg (2004) a 0,5 kg (2017), mentre il Chevrolet Bolt utilizza il 30% meno materiale magnetico rispetto al suo predecessore, il Spark.
“I IPM sono una porta verso l’indipendenza dalle terre rare”, spiega Praveen Kumar, anche lui dell’ORNL. “Ottimizzando la combinazione di immagini e reluctanza, possiamo ridurne l’uso senza perdere prestazioni”.
Avanze nei laboratori: dalla teoria alla pratica
L’ORNL è alla forefront della ricerca. Il suo motore da 100 kW, sviluppato nel 2023, elimina completamente le terre rare pesanti (come il disprosio, usato per resistere a alte temperature negli NdFeB). Per raggiungere questo risultato, gli ingegneri hanno segmentato gli immagini in pezzi di 1 mm di spessore, isolati tra loro, per ridurre le correnti parassite che generano calore e smagnetizzazione.
Il motore utilizza immagini NdFeB tipo N50, in grado di funzionare fino a 80°C, e un rotore rafforzato con fibra di carbonio per resistere a 20.000 rpm. Sebbene richieda raffreddamento forzato ad aria a piena carga, è un compromesso accettabile per evitare terre rare pesanti. “È un esempio di come un design intelligente può superare le limitazioni dei materiali”, sottolinea Rallabandi.
Altre innovazioni provengono dalla scienza dei materiali. L’acciaio ad alto silicio riduce le perdite magnetiche del 20%, mentre leghe di rame con doppia conduttività rispetto allo standard riducono il volume del motore del 30%. I materiali magnetici “bifase” della GE Aerospace, che possono essere magnetizzati o smagnetizzati selettivamente, eliminano le perdite di flusso, consentendo design senza immagini permanenti.
Il ruolo dell’intelligenza artificiale nello sviluppo
Strumenti di progettazione guidati dall’IA, come quelli utilizzati all’ORNL, accelerano il processo di trial and error. Queste piattaforme simulano migliaia di configurazioni di motori in minuti, identificando le combinazioni di materiali e design che bilanciano al meglio prestazioni, peso e costo. “Quello che impiegava mesi ora viene fatto in giorni”, afferma Ozpineci. “Questo è cruciale per raggiungere la produzione di massa”.
Sfide e prospettive: quando vedere questi motori sulle strade
Nonostante i progressi, ostacoli persistono. I motori senza terre rare sono più pesanti o voluminosi, e la loro produzione richiede tecniche nuove (come la lavorazione di alta precisione per i SynRM). L’industria deve anche adattare le catene di approvvigionamento per materiali come il FeN o il MnBi, che non sono ancora prodotti in scala.
Tuttavia, i tempi sono ambiziosi. Tesla prevede di lanciare il suo motore senza terre rare nel 2025, mentre GM e Stellantis progettano modelli con immagini di Niron entro il 2026. ZF aspetta di commercializzare il suo motore con eccitazione per induzione nel 2027, targeting veicoli premium per la sua alta densità di potenza.
“Il mercato determinerà quale design dominerà”, spiega Kumar. “Ma è chiaro che le terre rare smetteranno di essere essenziali. La domanda è quando, non se”.
Conclusione: una mobilità più sostenibile e resiliente
La transizione verso motori senza terre rare non è solo un avanzamento tecnico, ma un passo necessario affinché i veicoli elettrici soddisfino la loro promessa di sostenibilità. Eliminando la dipendenza da materiali dannosi e politicamente sensibili, l’industria automobilistica può creare una catena di valore più pulita, diversificata e resistente alle crisi.
“Il percorso non è facile, ma ogni avanzamento – sia in un laboratorio che in una fabbrica – ci avvicina”, afferma Ozpineci. “Un futuro in cui le terre rare non sono più cruciali per gli VE è inevitabile, e non può arrivare troppo presto”.
Autori: Vandana Rallabandi, Burak Ozpineci, Praveen Kumar
Affiliazione: Oak Ridge National Laboratory, Tennessee, USA
Rivista: IEEE SPECTRUM
Data di pubblicazione: Agosto 2024
DOI: 10.1109/SPECTRUM.2024.3398765