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

La journée des investisseurs de Tesla, le 1er mars, a commencé par un discours détaillé et décousu sur l’énergie et l’environnement avant de passer à une série d’annonces et de vantardises pour la plupart prévisibles. Et puis, de nulle part, est venue une bombe absolue: « Nous avons conçu notre prochaine unité d’entraînement, qui utilise un moteur à aimant permanent, pour ne pas utiliser d’éléments de terres rares du tout », a déclaré Colin Campbell, directeur de l’ingénierie du groupe motopropulseur de Tesla.

Ce fut 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 l’utilisation d’un aimant permanent non rare dans un moteur de traction synchrone dans un proche avenir. » Et à l’Université d’Uppsala, en Suède, Alena Vishina, physicienne, explique: « Je ne suis pas sûre qu’il soit possible d’utiliser uniquement des matériaux sans 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 pleinement cela », rapporte-t-il. (Tesla n’a pas répondu à un courriel 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 des atomes du cristal sont forcés de pointer dans la même direction. Plus il y a de ces spins alignés, plus le magnétisme est fort. Pour cela, les atomes idéaux sont ceux qui ont des électrons non appariés grouillant 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 seuls ne suffisent pas à fabriquer des aimants superpuissants. Comme les chercheurs l’ont découvert il y a des décennies, la force magnétique peut être grandement améliorée en ajoutant au réseau cristallin des atomes avec des électrons non appariés dans l’orbitale 4f, notamment les éléments des terres rares néodyme, samarium et 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. Cela, à son tour, peut être exploité pour atteindre une coercivité élevée, la propriété essentielle qui permet à un aimant permanent de rester magnétisé. En outre, grâce à plusieurs mécanismes physiques complexes, les électrons 4f non appariés peuvent amplifier le magnétisme du cristal en coordonnant et en stabilisant l’alignement de spin des électrons 3D dans le réseau.

Depuis les années 1980, un aimant permanent à base d’un composé de néodyme, de fer et de bore (NdFeB) a dominé les applications haute performance, notamment les moteurs, les smartphones, les haut-parleurs et les générateurs d’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 automobiles étaient du NdFeB.

Donc, si ce n’est pas des aimants permanents de terres rares pour le prochain moteur de Tesla, alors de quel type? Parmi les experts prêts à spéculer, le choix a été unanime : les aimants en ferrite. Parmi les aimants permanents non terres rares inventés jusqu’à présent, seuls deux sont en production à grande échelle : les ferrites et un autre type appelé Alnico (aluminium nickel-cobalt). Tesla n’utilisera pas Alnico, a insisté une demi-douzaine d’experts contactés par IEEESpectrum. Ces aimants sont faibles et, plus important encore, l’approvisionnement mondial en cobalt est si tendu qu’ils représentent moins de 2% du marché des aimants permanents.

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

Les aimants en ferrite, basés sur une forme d’oxyde de fer, sont bon marché et représentent près de 30% du marché des aimants permanents en termes de ventes. Mais eux aussi sont faibles (une utilisation majeure est de maintenir les portes du réfrigérateur fermées). Un indicateur clé de performance d’un aimant permanent est son produit énergétique maximal, mesuré en mégagauss-oersteds (MGOe). Il reflète à la fois la force d’un aimant et sa coercition. Pour le type de NdFeB couramment utilisé dans les moteurs de traction automobile, cette valeur est généralement d’environ 35 MGOe. Pour les meilleurs aimants en ferrite, il est d’environ 4.

« Même si vous obtenez l’aimant de ferrite la plus performante, vous aurez des performances environ cinq à 10 fois inférieures à celles du néodyme-fer-bore », explique Daniel Salazar Jaramillo, chercheur en magnétisme au Centre basque des matériaux, applications et nanostructures, en Espagne. Ainsi, comparé à un moteur synchrone construit avec des aimants NdFeB, un moteur basé sur des aimants en ferrite sera beaucoup plus grand et plus lourd, beaucoup plus faible, ou une combinaison des deux.

Certes, il y a plus d’une vingtaine d’autres aimants permanents qui n’utilisent pas d’éléments de terres rares ou qui n’en utilisent pas beaucoup. Mais aucun d’entre eux n’a eu d’impact en dehors du laboratoire. La liste des attributs nécessaires pour un aimant permanent commercialement réussi comprend une intensité de champ élevée, une coercivité élevée, une tolérance aux températures élevées, une bonne résistance mécanique, une facilité de fabrication et le manque de dépendance à l’égard d’éléments rares, toxiques ou problématiques pour une autre raison. Tous les candidats d’aujourd’hui ne cochent pas une ou plusieurs de ces cases.

Les aimants au nitrure de fer, comme celui-ci de la start-up Niron Magnetics, sont parmi les plus prometteurs d’une nouvelle génération d’aimants permanents qui n’utilisent pas d’éléments de terres rares. Niron Magnetics

Mais donnez-lui quelques années de plus, disent certains chercheurs, et un ou deux d’entre eux pourraient très bien percer. Parmi les plus prometteurs : le nitrure de fer, Fe16N2. Une start-up de Minneapolis, Niron Magnetics, commercialise maintenant une technologie qui a été mise au point avec le financement de l’ARPA-E par Jian Ping Wang à l’Université du Minnesota au début des années 2000, après avoir travaillé auparavant chez Hitachi. Le vice-président exécutif de Niron, Andy Blackburn, a déclaré à Spectrum que la société avait l’intention de lancer son premier produit à la fin de 2024. Blackburn dit qu’il s’agira d’un aimant permanent avec un produit énergétique supérieur à 10 MGOe, pour lequel il prévoit des applications dans les haut-parleurs et les capteurs, entre autres. S’il réussit, ce sera le premier nouvel aimant permanent commercial depuis le NdFeB, il y a 40 ans, et le premier aimant permanent commercial non terrestre rare depuis la ferrite de strontium, le meilleur type de ferrite, il y a 60 ans.

La première offre de Nironde sera suivie en 2025 par un aimant avec un produit énergétique supérieur à 30 MGOe, selon Blackburn. Pour cela, il fait une prédiction plutôt audacieuse: « Il aura un flux aussi bon ou meilleur que le néodyme. Il aura la coercivité d’une ferrite, et il aura les coefficients de température du samarium cobalt » – mieux que le NdFeB. Si l’aimant parvient vraiment à combiner tous ces attributs (un grand si), il serait très bien adapté à une utilisation dans les moteurs de traction des véhicules électriques.

Il y en aura d’autres à venir, déclare Blackburn. « Toutes ces nouvelles capacités d’ingénierie à l’échelle nanométrique nous ont permis de créer des matériaux qui auraient été impossibles à fabriquer il y a 20 ans », dit-il.