Qu'est-ce que l'aimant mystérieux de Tesla ?

La journée des investisseurs de Tesla, le 1er mars, a commencé par un discours décousu et détaillé sur l'énergie et l'environnement avant de passer à une série d'annonces et de vantardises pour la plupart prévisibles. Et puis, sortie de nulle part, une véritable bombe est arrivée : « Nous avons conçu notre prochaine unité d'entraînement, qui utilise un moteur à aimant permanent, pour n'utiliser aucun élément de terres rares », a déclaré Colin Campbell, directeur de l'alimentation électrique de Tesla. ingénierie ferroviaire.

Il s’agit d’une révélation étonnante qui a laissé la plupart des experts en magnétisme permanent méfiants et perplexes. Alexander Gabay, chercheur à l’Université du Delaware, déclare catégoriquement : « Je suis sceptique quant à la possibilité d’utiliser un aimant permanent autre que celui des terres rares dans un avenir proche dans un moteur de traction synchrone. » Et à l'université d'Uppsala, en Suède, Alena Vishina, physicienne, précise : « Je ne suis pas sûre qu'il soit possible d'utiliser uniquement des matériaux exempts de terres rares pour fabriquer un moteur puissant et efficace. »

Le problème ici est la physique, que même Tesla ne peut pas modifier.

Et lors d'une récente conférence sur le magnétisme, Ping Liu, professeur à l'Université du Texas à Arlington, a demandé à d'autres chercheurs ce qu'ils pensaient de l'annonce de Tesla. « Personne ne comprend vraiment cela », rapporte-t-il. (Tesla n'a pas répondu à un e-mail demandant des précisions sur le commentaire de Campbell.)

Les prouesses techniques de Tesla ne doivent jamais être sous-estimées. Mais d’un autre côté, l’entreprise – et en particulier son PDG – a l’habitude de faire des déclarations sensationnelles sporadiques qui ne se concrétisent pas (nous attendons toujours ce modèle 3 à 35 000 $ US, par exemple).

Le problème ici est la physique, que même Tesla ne peut pas modifier. Le magnétisme permanent se produit dans certains matériaux cristallins lorsque les spins des électrons de certains atomes du cristal sont forcés de pointer dans la même direction. Plus il y a de spins alignés, plus le magnétisme est fort. Pour cela, les atomes idéaux sont ceux qui ont des électrons non appariés qui pullulent autour du noyau dans ce que l’on appelle des orbitales 3D. Les sommets sont en fer, avec quatre électrons 3D non appariés, et en cobalt, avec trois.

Mais les électrons 3D ne suffisent pas à eux seuls à fabriquer des aimants super puissants. Comme les chercheurs l’ont découvert il y a plusieurs décennies, la force magnétique peut être grandement améliorée en ajoutant au réseau cristallin des atomes contenant des électrons non appariés dans l’orbitale 4f, notamment les éléments des terres rares que sont le néodyme, le samarium et le dysprosium. Ces électrons 4f améliorent une caractéristique du réseau cristallin appelée anisotropie magnétique : en effet, ils favorisent l'adhésion des moments magnétiques des atomes aux directions spécifiques du réseau cristallin. Ceci, à son tour, peut être exploité pour atteindre une coercitivité élevée, la propriété essentielle qui permet à un aimant permanent de rester magnétisé. De plus, grâce à plusieurs mécanismes physiques complexes, les électrons 4f non appariés peuvent amplifier le magnétisme du cristal en coordonnant et en stabilisant l’alignement des spins des électrons 3d dans le réseau.

Depuis les années 1980, un aimant permanent basé sur un composé de néodyme, de fer et de bore (NdFeB) domine les applications hautes performances, notamment les moteurs, les smartphones, les haut-parleurs et les éoliennes. Une étude réalisée en 2019 par Roskill Information Services, à Londres, a révélé que plus de 90 % des aimants permanents utilisés dans les moteurs de traction automobile étaient du NdFeB.

Alors, s'il ne s'agit pas d'aimants permanents aux terres rares pour le prochain moteur de Tesla, de quel type ? Parmi les experts prêts à spéculer, le choix a été unanime : les aimants en ferrite. Parmi les aimants permanents autres que les terres rares inventés jusqu'à présent, seuls deux sont produits à grande échelle : les ferrites et un autre type appelé Alnico (aluminium nickel cobalt). Tesla n'utilisera pas Alnico, ont insisté une demi-douzaine d'experts contactés par IEEESpectrum. Ces aimants sont faibles et, plus important encore, l’offre mondiale de cobalt est si tendue qu’ils représentent moins de 2 % du marché des aimants permanents.

Il existe plus d’une vingtaine d’aimants permanents qui n’utilisent aucun élément de terres rares, ou n’en utilisent pas beaucoup. Mais aucun d’entre eux n’a eu d’impact en dehors du laboratoire.