Neodym i inne pierwiastki ziem rzadkich umożliwiają silniki o dużej mocy i dużej gęstości momentu obrotowego. Na szczęście te niezbędne składniki nie są tak rzadkie, jak mogłyby sugerować ich nazwy. Aby w przyszłości sprostać stale rosnącemu zapotrzebowaniu, naukowcy rozpoczęli badania nad nowymi metodami recyklingu.
Jeśli chodzi o pojazdy elektryczne, wkrótce pojawi się słowo kluczowe „ziemi rzadkie”. Dla chemików „ziemia rzadka” oznacza jeden z 17 „metali ziem rzadkich” w układzie okresowym, taki jak lantan, prazeodym, neodym, terb, dysproz i lutet. Niektóre z nich odgrywają ważną rolę w silnikach i akumulatorach pojazdów elektrycznych. Na przykład w magnesach silników trakcyjnych oprócz żelaza zawiera także około 30 procent metali ziem rzadkich. Metalami ziem rzadkich są tu głównie neodym, ale także dysproz i terb. Ich zaleta: nawet magnesy o wyjątkowo małych wymiarach mogą generować silne pola magnetyczne, które są bardzo korzystne dla elektrycznych układów napędowych.
„Dzięki metalom ziem rzadkich w magnesach silniki synchroniczne z magnesami trwałymi mogą osiągać niezwykle wysoką gęstość mocy i momentu obrotowego, zwiększając w ten sposób wydajność całego układu napędowego”. Raphael Piotuch, inżynier projektu ds. silników elektrycznych w Porsche Engineering Dr Rafał Piotuch (dr Rafał Piotuch) wyjaśnił: „Inne materiały magnesów, takie jak ferryt, nie wymagają stosowania pierwiastków ziem rzadkich, ale doprowadzą do zmniejszenia masy i przestrzeń montażową w silniku.” Niektóre pojazdy elektryczne wykorzystują silniki asynchroniczne do zastąpienia silnika synchronicznego z magnesami trwałymi. Jednakże żaden z nich nie jest w stanie osiągnąć wysokiej gęstości mocy i wydajności silników wykorzystujących magnesy z metali ziem rzadkich. Z tego powodu, zwłaszcza w samochodach sportowych, neodym, dysproz i terb prawdopodobnie nie zostaną szybko wymienione.
Pozostaje pytanie: czy pierwiastki ziem rzadkich są naprawdę rzadkie? Nie, nie są rzadkie, a niektórych pierwiastków ziem rzadkich jest na Ziemi jeszcze więcej niż ołowiu; w 2021 r. na całym świecie wyprodukowano prawie 280000 ton tlenków metali ziem rzadkich. „Jednak wydobycie pierwiastków ziem rzadkich jest bardzo pracochłonne” – wyjaśnia Matthias Böger, inżynier projektu specjalizujący się w obliczeniach silników elektrycznych w Porsche Engineering. „Ziem rzadkich wydobywa się z rud w złożonym procesie. Tlenki pierwiastków ziem rzadkich oddziela się od rudy, która następnie przekształca się w czyste metale”.
Ponadto: rozmieszczenie złóż minerałów na świecie nie jest jednolite, a kilka krajów opanowało znaczną część złóż minerałów. Przyszły popyt rynkowy na pierwiastki ziem rzadkich może gwałtownie wzrosnąć. Szacuje się, że do 2040 roku światowy popyt na same silniki trakcyjne wzrośnie 20-krotnie w stosunku do zapotrzebowania w 2018 roku. Ponadto elektrownie wiatrowe również potrzebują tych surowców, a popyt w tym zakresie ma w tym samym okresie wzrosnąć czterokrotnie. Aby zapewnić długoterminową stabilność dostaw, obecnie prowadzone są intensywne badania nad metodami recyklingu neodymu i innych pierwiastków ziem rzadkich.
Informacje o prawach autorskich
Oryginalny artykuł został pierwotnie opublikowany w numerze 1 2023 magazynu Porsche Engineering „Porsche Engineering”
Tekst: Christian Buck
Zdjęcie: Oriana Fenwick
Prawa autorskie: Wszystkie obrazy, filmy i pliki audio opublikowane w tym artykule podlegają prawu autorskiemu. Powielanie w całości lub w części bez pisemnej zgody dr inż. jest zabronione. hc F.Porsche AG. Aby uzyskać więcej informacji, skontaktuj się z firmą newsroom@porsche.com.
