劃重點(diǎn)
1由于存在供應(yīng)鏈問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題，特斯拉動(dòng)力總成部門(mén)正努力從電機(jī)中剔除稀土磁鐵，并在尋找替代方案。 2特斯拉尚未發(fā)明全新的磁體材料，因此其可能使用現(xiàn)有技術(shù)將就一下，最有可能的是使用便宜而容易制造的鐵氧體。 3通過(guò)仔細(xì)定位鐵氧體磁鐵和調(diào)整電機(jī)設(shè)計(jì)的其他方面，可以復(fù)制稀土驅(qū)動(dòng)電機(jī)的許多性能指標(biāo)。在這種情況下，電機(jī)的重量只增加了30%左右，相對(duì)于汽車的整體重量來(lái)說(shuō)，這個(gè)差異可能很小。 4新磁體材料需要具備以下三個(gè)基本特征：1）需要具有磁性；2）在其他磁場(chǎng)存在的情況下繼續(xù)保持磁性；3）能承受高溫。騰訊科技訊 5月4日消息，電動(dòng)汽車制造商特斯拉表示，其汽車電機(jī)中將不再使用稀土元素，這意味著特斯拉的工程師將不得不充分發(fā)揮創(chuàng)造力尋找替代方案。
(相關(guān)資料圖)
上個(gè)月，在特斯拉投資者日活動(dòng)上，埃隆·馬斯克發(fā)布了“總體規(guī)劃第三部分”。其中，有個(gè)小細(xì)節(jié)在物理領(lǐng)域引發(fā)轟動(dòng)。特斯拉動(dòng)力總成部門(mén)的高管科林·坎貝爾宣布，他的團(tuán)隊(duì)正在從電機(jī)中剔除稀土磁鐵，理由是供應(yīng)鏈問(wèn)題和生產(chǎn)稀土磁鐵帶來(lái)的負(fù)面影響過(guò)大。
為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，坎貝爾展示了兩張涉及三種神秘材料的幻燈片，這些材料被巧妙地標(biāo)記為稀土1、稀土2和稀土3。第一張幻燈片代表特斯拉的現(xiàn)狀，該公司在每輛車中使用的稀土數(shù)量從半公斤到10克不等。在第二張幻燈片上，所有稀土元素的使用數(shù)量都降為零。
對(duì)于研究某些材料由于電子運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生神奇力量的磁學(xué)家來(lái)說(shuō)，稀土1的身份很容易辨別，那就是釹。當(dāng)被添加到常見(jiàn)元素（如鐵和硼）中，這種金屬可以幫助創(chuàng)建一個(gè)強(qiáng)大的、始終開(kāi)啟的磁場(chǎng)。但很少有材料具有這種品質(zhì)，而產(chǎn)生足以移動(dòng)重量超過(guò)2000公斤的特斯拉汽車，以及從工業(yè)機(jī)器人到戰(zhàn)斗機(jī)等許多其他東西的磁場(chǎng)的稀土元素就更少了。如果特斯拉計(jì)劃從電機(jī)中去除釹和其他稀土元素，它會(huì)用哪種磁鐵來(lái)代替呢?
對(duì)于物理學(xué)家們來(lái)說(shuō)，有一件事可以肯定：特斯拉并沒(méi)有發(fā)明出一種全新的磁體材料。NIron Magnetics戰(zhàn)略執(zhí)行副總裁安迪·布萊克本說(shuō)：“100多年來(lái)，我們可能只有幾次機(jī)會(huì)得到新的商業(yè)磁鐵。”NIron Magnetics是為數(shù)不多的幾家試圖抓住下一次機(jī)會(huì)的初創(chuàng)公司之一。
布萊克本和其他人認(rèn)為，更有可能的是，特斯拉已經(jīng)決定可以用一塊功率小得多的磁鐵將就一下。在眾多可能性中，最明顯的候選者是鐵氧體：一種由鐵和氧組成的陶瓷，與少量的金屬(如鍶)混合起來(lái)。它既便宜又容易制造，自20世紀(jì)50年代以來(lái)，世界各地的冰箱門(mén)都利用這種方式制造。
但按體積計(jì)算，鐵氧體的磁性只有釹磁鐵的十分之一，這就提出了新的問(wèn)題。特斯拉首席執(zhí)行官埃隆·馬斯克向來(lái)以不妥協(xié)著稱，但如果特斯拉要轉(zhuǎn)向鐵氧體，似乎必須做出某些讓步。
人們很容易認(rèn)為電池是電動(dòng)汽車的動(dòng)力，但實(shí)際上是電磁驅(qū)動(dòng)了電動(dòng)汽車。特斯拉公司和磁性單位“特斯拉”都以同一個(gè)人的名字命名，這絕非巧合。當(dāng)電子流過(guò)電機(jī)中的線圈時(shí)，它們會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)，推動(dòng)相反的磁力，使電機(jī)的軸帶動(dòng)車輪旋轉(zhuǎn)起來(lái)。
對(duì)于特斯拉汽車的后輪來(lái)說(shuō)，這些力是由帶有永磁體的電機(jī)提供的，永磁體是一種具有穩(wěn)定磁場(chǎng)的奇怪材料，沒(méi)有任何電流輸入，這要?dú)w功于電子在原子周圍的巧妙自旋。特斯拉大約在五年前才開(kāi)始在汽車上添加這些磁鐵，以便在不升級(jí)電池的情況下延長(zhǎng)續(xù)航里程并提高扭矩。在此之前，該公司使用的是圍繞電磁鐵制造的感應(yīng)電機(jī)，電磁鐵通過(guò)消耗電力而產(chǎn)生磁性。那些配有前置電機(jī)的車型目前仍在使用這種模式。
特斯拉放棄稀土和磁鐵的舉動(dòng)看起來(lái)似乎有點(diǎn)奇怪。汽車公司通常癡迷于效率，尤其是在電動(dòng)汽車的情況下，他們?nèi)栽谂φf(shuō)服司機(jī)克服續(xù)航里程里程的恐懼。但隨著汽車制造商開(kāi)始擴(kuò)大電動(dòng)汽車的生產(chǎn)規(guī)模，許多以前被認(rèn)為效率太低的工程正重新出現(xiàn)。
這促使汽車制造商（包括特斯拉在內(nèi)）生產(chǎn)更多使用磷酸鐵鋰(LFP)電池的汽車。與那些含有鈷和鎳等元素的電池相比，這些車型的續(xù)航里程往往更短。這是一種更老的技術(shù)，重量更大，儲(chǔ)電能力更低。目前由低速動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的Model 3續(xù)航里程為272英里（約合438公里），而配備更高級(jí)電池的遠(yuǎn)程Model S則可以達(dá)到400英里（640公里）。但采用磷酸鐵鋰電池可能是一個(gè)更明智的商業(yè)選擇，因?yàn)樗苊饬耸褂酶嘿F甚至存在政治風(fēng)險(xiǎn)的材料。
不過(guò)，特斯拉不太可能只是簡(jiǎn)單地用更糟糕的東西取代磁鐵，比如鐵氧體，而不做其他改變。烏普薩拉大學(xué)物理學(xué)家阿萊娜·維希娜說(shuō)：“你將在汽車?yán)飻y帶一塊巨大的磁鐵。”幸運(yùn)的是，電機(jī)是相當(dāng)復(fù)雜的機(jī)器，有很多其他部件組成，理論上可以重新排列，以減輕使用較弱磁鐵的影響。
在計(jì)算機(jī)模型中，材料公司Proterial最近確定，通過(guò)仔細(xì)定位鐵氧體磁鐵和調(diào)整電機(jī)設(shè)計(jì)的其他方面，可以復(fù)制稀土驅(qū)動(dòng)電機(jī)的許多性能指標(biāo)。在這種情況下，電機(jī)的重量只增加了30%左右，相對(duì)于汽車的整體重量來(lái)說(shuō)，這個(gè)差異可能很小。
盡管有這些令人頭疼的問(wèn)題，但汽車公司還是有很多理由放棄稀土元素，當(dāng)然前提是他們能做到的話。整個(gè)稀土市場(chǎng)的價(jià)值和美國(guó)雞蛋市場(chǎng)差不多，而且從理論上講，稀土元素可以在世界各地開(kāi)采、加工并轉(zhuǎn)化為磁鐵，但事實(shí)上這些過(guò)程存在許多挑戰(zhàn)。
礦產(chǎn)分析師、頗受歡迎的稀土觀察博客作者托馬斯·克魯默說(shuō)：“這是個(gè)價(jià)值100億美元的產(chǎn)業(yè)，但每年創(chuàng)造的產(chǎn)品價(jià)值在2萬(wàn)億到3萬(wàn)億美元之間，這是一個(gè)巨大的杠桿。汽車也是如此，即使它們只含有幾公斤這種物質(zhì)，但把它們剔除出去，意味著汽車不再能行駛，除非你愿意重新設(shè)計(jì)整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)。”
美國(guó)和歐洲正試圖使這條供應(yīng)鏈多樣化。21世紀(jì)初關(guān)閉的加州稀土礦最近重新開(kāi)放，目前供應(yīng)全球15%的稀土。在美國(guó)，政府機(jī)構(gòu)（尤其是國(guó)防部）需要為飛機(jī)和衛(wèi)星等設(shè)備提供強(qiáng)大的磁鐵，它們熱衷于在國(guó)內(nèi)和日本、歐洲等地區(qū)投資供應(yīng)鏈。但考慮到成本、所需的技術(shù)和環(huán)境問(wèn)題，這是一個(gè)緩慢的過(guò)程，需要持續(xù)幾年甚至幾十年。
與此同時(shí)，在汽車和風(fēng)力渦輪機(jī)等脫碳工具中嵌入磁鐵的需求也在上升。市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)Adamas Intelligence的數(shù)據(jù)顯示，目前，12%的稀土用于電動(dòng)汽車，這是一個(gè)剛剛起步的市場(chǎng)。與此同時(shí)，稀土價(jià)格經(jīng)常出現(xiàn)劇烈波動(dòng)，而外部企業(yè)往往無(wú)法預(yù)測(cè)這些因素。
在德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校研究磁性材料的物理學(xué)家吉姆·切利科夫斯基說(shuō)，總而言之，如果你所處的行業(yè)可以找到替代產(chǎn)品，那可能具有非凡的意義。但他表示，尋找比鐵氧體更好的稀土磁鐵替代品有各種各樣的理由。挑戰(zhàn)在于找到具有三個(gè)基本特征的材料：1）需要具有磁性；2）在其他磁場(chǎng)存在的情況下繼續(xù)保持磁性；3）能承受高溫。熱磁鐵不再是磁鐵。
研究人員非常清楚哪些化學(xué)元素可以制造出好的磁鐵，但潛在的原子排列方式有數(shù)百萬(wàn)種。有些所謂的磁鐵獵人采取的方法是從數(shù)十萬(wàn)種可能的材料開(kāi)始，剔除那些含有稀土等有缺陷的材料，然后使用機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)預(yù)測(cè)剩下的材料的磁性。去年年底，切利科夫斯基等人使用該系統(tǒng)制造一種含有鈷的新型高磁性材料。
通常最大的挑戰(zhàn)是找到易于制造的新磁鐵。烏普薩拉大學(xué)的維希娜解釋說(shuō)，有些新開(kāi)發(fā)的磁鐵，比如含有錳的磁鐵，很有前途，但卻不穩(wěn)定。在其他情況下，科學(xué)家們知道一種材料具有極強(qiáng)的磁性，卻無(wú)法批量制造。其中包括四方輝石，一種只從隕石中發(fā)現(xiàn)的鎳鐵化合物，它必須經(jīng)過(guò)數(shù)千年的緩慢冷卻才能精確地將其原子排列到正確的狀態(tài)。在實(shí)驗(yàn)室中，試圖更快地推進(jìn)這個(gè)過(guò)程的努力正在進(jìn)行中，但尚未取得成果。
磁鐵初創(chuàng)公司Niron在這方面走得更遠(yuǎn)一些。該公司表示，其生產(chǎn)的氮化鐵磁鐵理論上比釹更具磁性。但它也是一種易變的材料，很難以理想的形式制造和保存。布萊克本表示，該公司正在取得進(jìn)展，但無(wú)法生產(chǎn)出足夠強(qiáng)大的磁鐵用于特斯拉的下一代汽車。他說(shuō)，第一步是將這種新磁鐵放入音響系統(tǒng)等較小的設(shè)備中。
礦產(chǎn)分析師、頗受歡迎的稀土觀察博客作者托馬斯·克魯默說(shuō)，目前還不清楚其他汽車制造商是否會(huì)效仿特斯拉放棄稀土的舉措。有些公司可能會(huì)堅(jiān)持使用成熟的材料，而另一些公司則會(huì)使用感應(yīng)電機(jī)或嘗試新的東西。即使是特斯拉，也可能會(huì)在未來(lái)的汽車上使用幾克稀土，散布在自動(dòng)車窗、動(dòng)力轉(zhuǎn)向和擋風(fēng)玻璃刮水器等地方。
在特斯拉的投資者日活動(dòng)上，對(duì)比稀土含量的幻燈片實(shí)際上是將一整輛當(dāng)前一代汽車與未來(lái)電機(jī)進(jìn)行了比較，這可能是一種宣傳噱頭。像特斯拉這樣的變通辦法正在開(kāi)發(fā)中，替換電機(jī)中的稀土材料可能是件好事，但正如克魯默所說(shuō)：“恐怕我們沒(méi)有足夠的時(shí)間。”（金鹿）