Tesla의 미스터리 자석은 무엇입니까?

3월 1일 Tesla의 투자자 데이는 에너지와 환경에 대한 장황하고 자세한 담론으로 시작하여 대부분 예측 가능한 일련의 발표와 자랑으로 전환되었습니다. 그리고 갑자기 다음과 같은 엄청난 폭탄 선언이 나왔습니다. "우리는 희토류 원소를 전혀 사용하지 않도록 영구 자석 모터를 사용하는 차세대 드라이브 유닛을 설계했습니다."라고 Tesla의 전력 이사인 Colin Campbell이 선언했습니다. 기차 공학.

이는 대부분의 영구자기학 전문가들을 경계하고 당혹스럽게 만든 놀라운 공개였습니다. 델라웨어 대학의 연구원인 Alexander Gabay는 다음과 같이 단호하게 말합니다. "희토류가 아닌 영구 자석이 가까운 미래에 동기식 견인 모터에 사용될 수 있을지 회의적입니다." 그리고 스웨덴 웁살라 대학교의 물리학자인 Alena Vishina는 "강력하고 효율적인 모터를 만들기 위해 희토류가 없는 재료만 사용하는 것이 가능한지 확신할 수 없습니다."라고 자세히 설명합니다.

여기서 문제는 Tesla조차도 변경할 수 없는 물리학입니다.

그리고 최근 자기학 컨퍼런스에서 알링턴에 있는 텍사스 대학의 Ping Liu 교수는 다른 연구자들에게 Tesla의 발표에 대해 어떻게 생각하는지 물었습니다. "아무도 이것을 완전히 이해하지 못합니다"라고 그는 보고합니다. (테슬라는 캠벨의 발언에 대한 자세한 설명을 요청하는 이메일에 응답하지 않았습니다.)

Tesla의 기술력은 결코 과소평가되어서는 안됩니다. 그러나 반면에 회사, 특히 CEO는 산발적으로 선정적인 주장을 했지만 실현되지 않은 전력이 있습니다(예를 들어 우리는 여전히 미화 35,000달러짜리 Model 3를 기다리고 있습니다).

여기서 문제는 Tesla조차도 변경할 수 없는 물리학입니다. 영구자성은 결정에 있는 일부 원자의 전자 스핀이 같은 방향을 가리키도록 강제될 때 특정 결정 물질에서 발생합니다. 이러한 정렬된 스핀이 많을수록 자성은 더 강해집니다. 이를 위해 이상적인 원자는 3d 궤도로 알려진 핵 주위에 짝을 이루지 않은 전자가 모여 있는 원자입니다. 상판은 짝을 이루지 않은 3d 전자 4개를 포함하는 철과 3개를 포함하는 코발트입니다.

그러나 3차원 전자만으로는 초강력 자석을 만들기에 충분하지 않습니다. 연구자들이 수십 년 전에 발견한 바와 같이, 4f 궤도에 짝을 이루지 않은 전자가 있는 결정 격자 원자, 특히 희토류 원소인 네오디뮴, 사마륨 및 디스프로슘을 추가하면 자기 강도가 크게 향상될 수 있습니다. 이러한 4f 전자는 자기 이방성이라고 불리는 결정 격자의 특성을 강화합니다. 즉, 결정 격자의 특정 방향에 대한 원자의 자기 모멘트의 접착을 촉진합니다. 이는 결국 영구 자석의 자화 상태를 유지하는 데 필수적인 특성인 높은 보자력을 달성하는 데 활용될 수 있습니다. 또한 여러 가지 복잡한 물리적 메커니즘을 통해 짝을 이루지 못한 4f 전자는 격자 내 3d 전자의 스핀 정렬을 조정하고 안정화함으로써 결정의 자성을 증폭시킬 수 있습니다.

1980년대부터 네오디뮴, 철, 붕소(NdFeB)의 화합물을 기반으로 한 영구 자석은 모터, 스마트폰, 확성기, 풍력 터빈 발전기를 포함한 고성능 애플리케이션을 지배해 왔습니다. 런던에 있는 Roskill Information Services의 2019년 연구에 따르면 자동차 견인 모터에 사용되는 영구 자석의 90% 이상이 NdFeB인 것으로 나타났습니다.

그렇다면 Tesla의 다음 모터용 희토류 영구 자석이 아니라면 어떤 종류일까요? 추측하려는 전문가들 사이에서 만장일치로 페라이트 자석을 선택했습니다. 지금까지 발명된 비희토류 영구자석 중 페라이트와 알니코(알루미늄 니켈 코발트)라는 또 다른 유형의 두 가지만 대량 생산되고 있습니다. IEEESpectrum이 접촉한 6명의 전문가들은 Tesla가 Alnico를 사용하지 않을 것이라고 주장했습니다. 이 자석은 약하고, 더 중요한 것은 세계 코발트 공급이 너무 많아서 영구 자석 시장의 2% 미만을 차지한다는 것입니다.

희토류 원소를 사용하지 않거나 많이 사용하지 않는 영구 자석은 수십 개가 넘습니다. 그러나 이들 중 어느 것도 실험실 외부에 영향을 미치지 않았습니다.