Наряду с прошедшей на этой неделе скромной презентацией роботакси Cybercab, компания Tesla продемонстрировала свой новый электродвигатель для Cybercab, не содержащий редкоземельных элементов. Сообщается, что он существенно увеличивает плотность мощности и эффективность.
Это определенное достижение, но чтобы понять, насколько оно значимо, нужно сначала разобраться, что всё это вообще значит. Пристегните ремни.
Многое было сказано об использовании «редкоземельных элементов» в электромобилях. Но есть проблема: многие из тех, кто слышал это словосочетание, понятия не имеют, что такое «редкоземельные элементы», как они используются и к каким последствиям приводит их применение.
Инженеры, проектирующие эти продукты, конечно же, всё это знают. Их задача — оптимизировать ту или иную часть автомобиля, над которой они работают, а оптимизация требуется всегда. Кроме того, менеджеры по цепочкам поставок, закупающие материалы для инженеров, давят на них с целью минимизировать использование определенных дорогостоящих или труднодоступных материалов.
Но всё это закулисные детали. Широкая публика в основном слышит фразу «редкоземельные элементы», думает, что звучит это как-то пугающе, и идет дальше.
Поэтому существует множество заблуждений о том, что на самом деле представляет собой редкоземельный элемент и как он используется в электромобиле. Я постараюсь развеять некоторые из этих заблуждений здесь, а затем объяснить, что именно Tesla анонсировала прошлой ночью.
Что такое «редкоземельный элемент»?
В таблице Менделеева «редкоземельные элементы» обведены красным на графике ниже — это лантаноиды, а также скандий и иттрий. На самом деле они не такие уж редкие: например, неодим по распространенности уступает меди всего примерно в полтора раза.
На неодиме мы остановимся подробнее, поскольку именно он имеет отношение к электромобилям. Он используется в мощных магнитах и, соответственно, применяется в электронике, где нужны мощные и миниатюрные магниты, например в динамиках, жестких дисках и электродвигателях. Диспрозий, тербий и празеодим также широко используются в качестве добавок в неодимовые магниты.
Как редкоземельные элементы используются в электромобилях?
К слову, ни один из этих элементов обычно не используется в литий-ионных аккумуляторах. Так что дело здесь не в батарее, а в двигателе. А в моторе электромобиля содержится всего около 1 кг этих редкоземельных элементов — очень мало на одну машину, но очень много, когда речь идет о массовом производстве.
Кроме того, редкоземельные элементы применяются далеко не в каждом типе электродвигателей: Tesla использовала их в двигателях постоянного тока на постоянных магнитах, но не в своих асинхронных двигателях переменного тока. Асинхронные двигатели создают магнитные поля за счет электрических токов, а не с помощью физического магнита.
Изначально Tesla устанавливала на свои электромобили асинхронные двигатели переменного тока, в которых не использовались редкоземельные элементы. Собственно, в честь этого компания и получила свое название — Никола Тесла был изобретателем асинхронного двигателя. Но затем, с выходом Model 3, компания представила новый двигатель на постоянных магнитах и со временем стала использовать такие моторы и в других своих моделях.
В чем суть нового заявления Tesla?
В 2023 году компания Tesla объявила, что будет работать над созданием электродвигателей на постоянных магнитах без использования редкоземельных элементов. Это, вероятно, означало изучение возможности применения феррита железа или сплава альнико (хотя последнее просто меняет одну цепочку проблем с поставками на другую). Существуют и другие исследовательские материалы, но они, скорее всего, слишком мелкомасштабны для запросов Tesla.
Прошлой ночью на презентации Cybercab компания заявила, что в роботакси используется новый двигатель, который на 18% меньше, на 25% легче и эффективнее других лучших силовых установок. Генеральный директор Tesla Илон Маск, отсутствовавший на мероприятии, написал в твиттере, что в двигателе не используются редкоземельные металлы.
Так что сегодняшние новости могут быть воплощением в жизнь усилий Tesla по отказу от редкоземельных магнитов, но поскольку у нас нет пиар-отдела Tesla, у которого можно было бы спросить, какие материалы они используют, этот вопрос пока останется открытым.
Пока мы видели этот двигатель только в Cybercab, но вполне возможно, что Tesla перенесет его и на другие автомобили, как это было с ее первоначальным переходом на двигатели на постоянных магнитах с выходом Model 3, которые затем появились и в других моделях линейки Tesla.
Что касается того, что это «крайне сложно осуществить» — ну, Маск так говорит обо всем. Возможно, так оно и было. Хвала Tesla за это. Но какую практическую пользу мы получаем?
Почему заявления Tesla имеют значение?
Всё это важно потому, что двигатели постоянного тока на постоянных магнитах, как правило, эффективнее и компактнее асинхронных двигателей переменного тока, а оба эти фактора имеют очевидное значение для автопроизводителей.
Cybercab был сертифицирован с показателем энергопотребления 165 Вт·ч/милю, что делает его самым энергоэффективным электромобилем на дорогах. Это достигается за счет его небольших размеров, низкой аэродинамической формы, легкого веса, двухместной компоновки и, судя по всему, более эффективного электродвигателя.
Но на самом деле более эффективные электродвигатели не так уж сильно важны. Даже самые неэффективные электродвигатели, используемые в электромобилях, уже невероятно эффективны и преобразуют 90% и более входной энергии в вращательный крутящий момент.
Так что выжимание еще нескольких процентов на самом деле не окажет какого-то умопомрачительного влияния на общую эффективность системы. Заметим, например, что хотя Tesla привела процентные изменения в размере и мощности, она не стала называть процентное улучшение эффективности — вероятно, потому, что оно относительно невелико.
Гораздо важнее то, что если Tesla смогла создать двигатель на постоянных магнитах без редкоземельных элементов, она может получить необходимую плотность мощности и поместить его в такой небольшой автомобиль, как Cybercab, высвободив еще несколько дюймов тут и там, чтобы упаковать всё красиво и компактно. Непрерывная концентрация на подобных мелких оптимизациях — это как раз то, что позволяет появиться на свет гиперэффективному автомобилю.
Таким образом, компоновка и эффективность дают прирост, который вписывается в общую концепцию погони за гиперэффективностью, но которого, вероятно, можно было бы добиться и с помощью редкоземельных магнитов. Однако есть и другая причина отказаться от редкоземельных элементов в двигателе.
Почему редкоземельные элементы важны на самом деле?
Обратная сторона редкоземельных элементов заключается в том, что, несмотря на свою не такую уж сильную редкость, их по-прежнему трудно достать. Всё потому, что бо́льшая часть мировых запасов большинства редкоземельных элементов перерабатывается в одной стране — Китае, что теоретически дает Китаю рычаги влияния для диктовки условий, кому разрешено их использовать.
В прежней парадигме свободной торговли это не имело особого значения: сырье есть сырье, и его можно купить у того, у кого оно есть. В данном случае оно оказалось у Китая.
Но концентрация ресурсов приобрела особую актуальность за последний год, когда Китаю надоели выходки выжившего из ума сидельца Белого дома (которого Маск является крупнейшим спонсором) и он решил ввести экспортный контроль на переработку редкоземельных элементов.
Все знали, что подобное может произойти, именно поэтому Tesla и другие компании изначально работали над сокращением использования редкоземельных элементов. Но затем это произошло (и Маск отчасти сам приложил к этому руку — отличная помощь своей компании, дружище), и внезапно для всех стало гораздо актуальнее либо найти новые поставки сырья, очищенного за пределами Китая, либо снизить объемы его потребления.
Так насколько же это серьезное событие?
Вот в чем важность этой новости: она никак не связана с аккумуляторами, не обусловлена экологическими проблемами или правами человека, дает прирост эффективности, но не столь колоссальный, и не является каким-то грандиозным технологическим прорывом, до которого никто раньше не додумался.
Это просто реализация технологий, о которых думали уже давно, как ответ на проблему, ставшую в последнее время еще более насущной, причем в масштабируемом виде — если, конечно, Tesla когда-нибудь доберется до масштабного производства, выйдя за рамки примерно 45 электромобилей Cybercab, которые компания на данный момент зарегистрировала для использования в Техасе (и мы уверены, что доберется).
Это новость, и она интересна. Но вряд ли сенсационна.
Заряжайте свой электромобиль дома с помощью солнечных батарей на крыше. Найдите надежного и конкурентоспособного установщика солнечных панелей рядом с вами на EnergySage абсолютно бесплатно. У них есть проверенные специалисты, конкурирующие за ваш заказ, что гарантирует высокое качество решений и 20–30% экономии. Это бесплатно, без каких-либо звонков с предложениями продаж, пока вы сами не выберете установщика. Сравнивайте персонализированные предложения по солнечной энергии онлайн и получайте консультации от беспристрастных энергетических экспертов. Начните здесь. – рекл.*