Più efficienza e più potenza, meno terre rare con la tecnologia HyMag

La tecnologia sviluppata da ricercatori dell’Argonne National Laboratory, ha ottenuto una densità del flusso magnetico utilizzabile nei magneti permanenti superiore del 10/30% a quella attuale

La “disfida” ancora in corso tra la tecnologia dei motori a magneti permanenti, scelta dalla maggior parte dei modelli di auto elettriche, e quella dei motori ad induzione, che vanta alcuni campioni nobili quali in particolare la Tesla Model S, potrebbe cominciare a spostarsi in modo definitivo a favore dei primi, se una scoperta dei ricercatori dell’Argonne National Laboratory troverà effettiva e diffusa applicazione.

Scienziati del laboratorio che fa capo al Department of Energy americano (la scoperta ha preceduto il periodo di shutdown che ha interessato tutte le strutture di ricerca federali) hanno sviluppato una nuova tecnologia dei magneti che potrebbe beneficiare virtualmente qualsiasi tecnologia che tragga potenza da motori elettrici o ne sprigioni dai generatori.

HyMag, così è stata battezzata, aumenta la densità del flusso magnetico utilizzabile di valori compresi tra il 10 ed 30%, portando ad un significativo miglioramento dell’efficienza di apparati quali motori elettrici o gli aerogeneratori che producono energia eolica.

La tecnologia HyMag è meno costosa e più sostenibile rispetto ad altre già note perché i suoi componenti avranno bisogno di meno terre rare, con un taglio previsto all’impiego di queste materie prime tra il 60 ed il 90%.

La scoperta si deve al reparto di scienza dei materiali applicati dell’Argonne National Laboratory, nel quale lavora un gruppo diretto da Kaizhong Gao e Yuepeng Zhang, e si è concentrata sulle possibilità di migliorare la densità di flusso, la proprietà dei magneti permanenti che può essere imbrigliata per generare energia.

Come ha sottolineato Gao: “Più è alta la densità di flusso che usi per produrre energia e più energia si è in grado di generare. Bisogna ottenere una maggiore densità di flusso per arrivare ad avere più efficienza“.

I magneti permanenti sono una categoria di magneti che conservano la loro magnetizzazione e le linee di flusso dopo che sono state magnetizzate, in modo analogo a quello che fa sì che le batterie conservino le loro cariche elettriche.

A partire dagli anni ’90 i magneti permanenti realizzati con ferro, niobio e boro sono diventati comuni, ma migliorarne significativamente le performance è stato complicato. Secondo la dottoressa Zhang: “nel corso dei 15, 20 anni passati, la crescita di energia prodotta dai magneti si è fermata ad un tetto per mancanza di soluzioni alternative sui materiali“.

I ricercatori, provvisti di un bagaglio di supporto preso dalle nanotecnologie, hanno puntato sui miglioramenti delle micro-strutture e dei processi applicati ai materiali noti. Il laboratorio americano ha quindi lavorato in particolare su strati e combinazioni di materiali per ridurre le perdite di flusso magnetico, che tende a decadere con la distanza.

La tecnologia HyMag è stata anche in grado di raggiungere il recupero di efficienza con mix di materiali che per alcune applicazioni possono richiedere fino al 90% in meno in peso degli elementi noti come terre rare (ad esempio disprosio e gadolinio) pur mantenendo analoghe performance a quelle di magneti che alle terre rare fanno ampio ricorso. Non un dettaglio, visto che oggi un motore elettrico può contenere un etto di disprosio.

HyMag secondo i ricercatori sarà anche una soluzione flessibile in base alle applicazioni, e quindi i trattamenti dei magneti saranno calibrabili sugli usi finali specifici. In base, ad esempio, alle temperature abituali di esercizio.

Se nelle auto elettriche un motore a magneti permanenti deve affrontare temperature standard di 150˚, gli aerogeneratori delle pale eoliche debbono fare i conti con picchi di temperature che sono il doppio di quei valori.

Secondo Zhang, la flessibilità della tecnologia HyMag è tale da riuscire addirittura a realizzare magneti permanenti con materiali che lavoreranno meglio e con più efficienza alle alte temperature.

Per una pala eolica con potenza da 6 megawatt (ad esempio un modello con pale da 73,5 metri ciascuna come la Haliade 150-6 MW) un recupero di efficienza dell’aerogeneratore appena sopra al 10% potrebbe consentire di avvicinare la soglia dei 3 GWh di energia prodotta in più, qualora si consideri un anno di esercizio nel quale la pala sia attiva per sei mesi interi.

La maggiore efficienza e superiore resilienza alle alte temperature comporta anche opportunità di riduzione dei pesi e degli ingombri dei motori elettrici a magneti permanenti, con effetti rilevanti su installazioni colossali come le pale eoliche, ma anche a non trascurabili riduzioni di peso totale dei veicoli elettrici, che devono fare ancora i conti con quello dei pacchi batterie, che ancora per qualche lustro sarà un fattore.

N.B. si ringrazia l’attentissimo lettore Gilberto Fiorani per una richiesta di chiarimento che ci ha indotto a chiarificare opportunamente il penultimo paragrafo dell’articolo.


Credito foto di apertura: JJ Ying/Unsplash