Publicado originalmente el Ingeniería PITT Swanson.
Resumen
La mayoría de los motores eléctricos para vehículos eléctricos se basan en imanes permanentes fabricados con metales de tierras raras. Investigadores de la Escuela de Ingeniería Swanson de la Universidad de Pittsburgh están trabajando con Powdermet Inc., una empresa de investigación y desarrollo de nanomateriales y materiales avanzados en Euclid, Ohio, para desarrollar un motor eléctrico libre de minerales de tierras raras. El proyecto recibió recientemente $ 200,000 en financiamiento del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE).
El mercado global de vehículos eléctricos (EV) es se espera que crezca en más del 25 por ciento para 2030, con algunos políticos y fabricantes por igual pidiendo la eliminación gradual de los vehículos a gasolina para 2035. Incluso se espera que la Casa Blanca pregunte que los fabricantes de automóviles se comprometan con al menos el 40 por ciento de sus ventas de vehículos nuevos serán eléctricos para el año 2030.
Sin embargo, la mayoría de los motores eléctricos para vehículos eléctricos se basan en imanes permanentes fabricados con metales de tierras raras, que son, como su nombre lo indica, un recurso limitado *. Además de su rareza, la extracción y el procesamiento de estos materiales tiene graves consecuencias ambientales, dejando una cantidad significativa de desechos tóxicos. Y dado que China representa la gran mayoría de la producción de tierras raras, la volatilidad de los precios es otra preocupación. Para satisfacer las necesidades de un mercado en crecimiento, diseñar motores eléctricos sin metales de tierras raras es un paso crucial, especialmente para las cadenas de suministro sostenibles. [*Editor’s note: rare-earth elements are actually not that rare — the name is misleading and doesn’t stem from them not being abundant. “Despite their name, rare-earth elements are relatively plentiful in Earth’s crust, with cerium being the 25th most abundant element at 68 parts per million, more abundant than copper.” However, they are often hard to extract very economically because they are not found in big lumps or ores. “Because of their geochemical properties, rare-earth elements are typically dispersed and not often found concentrated in rare-earth minerals. Consequently, economically exploitable ore deposits are sparse (i.e. ‘rare’).”]
Investigadores de la Escuela de Ingeniería Swanson de la Universidad de Pittsburgh están trabajando con Powdermet Inc., una empresa de investigación y desarrollo de nanomateriales y materiales avanzados en Euclid, Ohio, para desarrollar dicha alternativa. El proyecto liderado por Powdermet espera crear una máquina eléctrica que utilice imanes permanentes hechos de metales más abundantes en lugar de metales de tierras raras. El proyecto recibió recientemente $ 200,000 en financiamiento del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) que permitirá a Powdermet comercializar materiales magnéticos permanentes basados en MnBi desarrollados en el Laboratorio Ames del Departamento de Energía de EE. UU. Instituto de Materiales Críticos (CMI).
“Las tecnologías ecológicas del futuro (vehículos eléctricos, turbinas eólicas, energía de las olas, drones y más) dependen de imanes permanentes de tierras raras que actualmente no están disponibles en los proveedores nacionales, lo que genera un riesgo significativo en la cadena de suministro. Powdermet está tremendamente emocionado de traer nuestros 25 años de experiencia en procesamiento de polvo nanoestructurado para escalar rápidamente la producción de tecnología de imanes libres de tierras raras desarrollada en CMI ”, dijo Andrew Sherman, fundador y director de tecnología de Powdermet e investigador principal. “La colaboración con los expertos técnicos de AMPED, Pitt y CMI nos permitirá acelerar la introducción de imanes permanentes libres de tierras raras de producción nacional en las cadenas de suministro de América del Norte”.
En Pitt, este trabajo estará dirigido por Paul Ohodnicki, profesor asociado de ingeniería mecánica y ciencia de los materiales, y Brandon Grainger, miembro de la facultad de Eaton y profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática. Juntos, el equipo de Pitt utilizará ANSYS MotorCAD para comparar un diseño de motor eléctrico que aprovecha los nuevos materiales magnéticos.
“Los imanes permanentes se utilizan en motores eléctricos porque pueden producir y mantener un campo magnético fuerte, incluso en presencia de un campo magnético opuesto, a diferencia de los electroimanes, que requieren una corriente eléctrica”, explicó Paul Ohodnicki, profesor asociado de ingeniería mecánica. y ciencia de materiales en Pitt. “El uso de materiales alternativos como los imanes permanentes basados en MnBi, desarrollados en el Laboratorio Ames, para crear un imán permanente en lugar de metales de tierras raras como el neodimio y el disprosio haría que los vehículos eléctricos fueran más asequibles, accesibles y sostenibles, y ayudaría a los EE. UU. convertirse en un líder en el mercado de vehículos eléctricos “.
Powdermet es un participante industrial de Advanced Magnetics for Power & Energy Development (AMPED) Consortium, un consorcio de investigación dirigido por el director Ohodnicki y el codirector Grainger en la Universidad de Pittsburgh. AMPED incluye varias escuelas en Pitt, Carnegie Mellon University, North Carolina State University, laboratorios nacionales y socios de la industria, que reúnen un conjunto de habilidades interdisciplinarias muy adecuadas para la investigación y el desarrollo de materiales magnéticos para electrónica de potencia y sistemas de conversión de potencia.
“La misión de AMPED es preparar a la próxima generación de investigadores multidisciplinarios para innovar con materiales magnéticos blandos en futuros sistemas de conversión de energía y ayudar a nuestros socios en la industria a desarrollar y probar las innovaciones que el mundo necesita ahora”, dijo Grainger, quien también es asociado director del Instituto Energy GRID. “Esta asociación con Powdermet es un gran ejemplo del tipo de trabajo fundamental de investigación y desarrollo que podemos hacer cuando colaboramos con nuestros socios de diversas disciplinas de ingeniería, y estamos entusiasmados con el impacto potencial en el futuro de los vehículos eléctricos”.
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