テスラの磁石の謎はイーロン・マスクが妥協する用意があることを示す | 深センボールドベンチャーソリューションズ株式会社

グレゴリー・バーバー

先月、新車については短く、壮大な物語を長々とライブストリーミングされたテスラ投資家イベントで、イーロン・マスク氏の「マスタープラン第3部」の些細な詳細が、物理学の知られざる片隅で大きなニュースとなった。テスラのパワートレイン部門幹部のコリン・キャンベル氏は、サプライチェーンへの懸念とその製造の毒性を理由に、彼のチームがモーターから希土類磁石を排除すると発表した。

この点を強調するために、キャンベル氏は 2 枚のスライドの間をクリックして、レアアース 1、2、3 というラベルが親切に付けられた 3 つの謎の物質に言及しました。テスラの現在を表す最初のスライドでは、その量は 0.5 キロから 10 グラムの範囲にあります。次の日、日付は特定されていない将来のテスラでは、すべてがゼロに設定されました。

ジェレミー・ホワイト

ケイト・ニブス

WIREDスタッフ

ジェレミー・ホワイト

電子の動きによって一部の物質が発揮する不思議な力を研究し、時には不可解な手のジェスチャーを使う磁気学者にとって、レアアース 1 の正体は明らかでした。それはネオジムでした。鉄やホウ素などのより身近な元素に金属を加えると、強力な常時磁場を生成することができます。しかし、この品質を備えた素材はほとんどありません。そして、4,500ポンドのテスラや、産業用ロボットから戦闘機に至るまで、その他多くのものを動かすのに十分な強さの磁場を生成するものはさらに少ない。テスラがモーターからネオジムやその他のレアアースを排除する計画があるとしたら、代わりにどのような種類の磁石を使用するでしょうか?

物理学者にとって明らかなことが 1 つありました。それは、テスラは根本的に新しい磁石材料を発明していないということです。「新しい商業用磁石が手に入るのは 100 年に 2 回です」と、次のそのような新事実をさらに深めようとしている数少ない新興企業の 1 つである Niron Magnetics の戦略担当副社長である Andy Blackburn 氏は言います。

ブラックバーンと他のフラックス責任者は、テスラがはるかに強力でない磁石でも対応できると判断した可能性が高いと考えた。可能性の短いリストの中の明らかな候補は、コバルトのような高価で地政学的に問題のある元素をほとんどに含むフェライトでした。これは、鉄と酸素のセラミックに、ストロンチウムなどの金属を少し混ぜたものです。安くて簡単に作れるので、1950年代以来、どこでも冷蔵庫のドアが閉まったままになっています。

しかし、フェライトは体積でネオジム磁石の約 10 分の 1 しか磁力を持たないため、新たな疑問が生じます。テスラのCEO、イーロン・マスク氏は妥協を許さないことで知られているが、テスラがフェライトに切り替えるのであれば、何かを譲らなければならないようだ。（同社はコメントの要請に応じなかった。）

EV を動かすのはバッテリーだと思いがちですが、実際には電気自動車を動かすのは電磁気です。 (テスラという会社と磁気の単位であるテスラが同じ人物にちなんで命名されているのは偶然ではありません。) 電子がモーター内のワイヤーのコイルを流れると、反対の磁力を押し出す電磁場が生成され、回転します。モーターのシャフトが破損し、車輪が回転してしまいます。

テスラの後輪の場合、これらの力は永久磁石を備えたモーターによって提供されます。この永久磁石は、電気入力なしでも、原子の周りにうまく調整された電子のスピンのおかげで、安定した磁場を持つという奇妙な特性を持つ材料です。テスラは、バッテリーをアップグレードせずに走行距離を増やし、トルクを高めるために、約 5 年前にこれらの磁石を自社の車に追加し始めました。それ以前は、電流を消費することで磁性を示す電磁石を中心に構築された誘導モーターが使用されていました。（フロントモーター搭載モデルでは現在も採用されています。）

そう考えると、レアアースを排除し、最高の磁石を放棄するのは少し奇妙に思えるかもしれません。自動車会社は通常、効率性を重視しており、特にEVの場合、航続距離の制限に対する不安をドライバーに払拭させるための戦いが続いている。しかし、自動車メーカーがEVの生産を拡大し始めるにつれ、以前は非効率すぎると考えられていたエンジニアリングの一部が復活しつつある。

ジェレミー・ホワイト

ケイト・ニブス

WIREDスタッフ

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これは、自動車メーカー（その中にはテスラも含まれる）が、LFP（リン酸鉄リチウム）で作られたバッテリーを搭載した車両をより多く生産していることからも見られる。これらは、コバルトやニッケルなどの元素を含むバッテリーを搭載したモデルよりも低域のモデルになる傾向があります。それは古い技術です。もっと重い？もちろん。エネルギーも少なくて済みます。（現行のLFP搭載のModel 3の航続距離は402マイルだが、より高性能なバッテリーを搭載した長距離モデルSの航続距離は400マイルを超える可能性がある。）しかし、高価で政治的に危険な材料の取り扱いを避けることができるため、より賢いビジネス選択となる可能性がある。

それでも、テスラが他の変更を加えずに、単に磁石をフェライトのようなはるかに悪いものに置き換えているとは考えにくいです。「車で持ち運べる巨大な磁石が手に入ります」とウプサラ大学の物理学者アレナ・ヴィシーナ氏は言う。幸いなことに、モーターは他の多くのコンポーネントを備えたかなり複雑な機械であり、理論的には、弱い磁石を使用するデメリットを和らげるために再配置することができます。材料会社 Proterial は最近、コンピューターモデルにおいて、フェライト磁石を慎重に配置し、モーター設計の他の側面を微調整することで、レアアース駆動モーターの多くの性能指標を再現できると判断しました。この場合の結果、モーターの重量はわずか約 30% 重くなりましたが、その差は車全体の大きさと比較すると小さい可能性があります。

このような頭の痛い問題にもかかわらず、自動車会社がそれを実行できるのであれば、レアアース元素を除去する理由はたくさんあります。中国の指導者、鄧小平がこの金属は同国のサウジ石油に相当すると宣言した1990年代初頭以来、これらの金属は環太平洋の地政学的な不安を表す一種の流行語となっている。レアアースが石油のようなものではないことは気にしないでください。市場全体の価値は米国の卵市場とほぼ同じであり、理論的にはレアアースは世界中で採掘、加工、磁石に変えることができます。しかし、それをすべて行っているのは中国だけだ。

中国がほぼ独占状態にあるのは、部分的には経済的理由によるものであり、部分的には環境への懸念によるものであり、1990年代には安価な中国産レアアースが市場に氾濫し、鉱山や加工の閉鎖が加速した。レアアースの採掘と精製は、悪名高い有害なビジネスです。その理由の 1 つは、磁石を増強するネオジムなどの最も貴重な元素が、他のレアアースや、ウランやトリウムなどの放射性元素と強く結合しているためです。現在、中国は世界中で採掘されるレアアースのほぼ3分の2を生産し、世界の磁石の90パーセント以上を加工している。

「100億ドルの産業があり、年間2兆ドルから3兆ドルの価値がある製品を可能にしています。これは非常に大きな影響力です」と鉱物アナリストであり、人気のレアアースオブザーバーブログの著者であるトーマス・クルーマー氏は言う。それは車にも当てはまります、たとえ数キログラムの荷物しか積んでいないとしても、と彼は言います。それらを取り除くことは、車が動かなくなることを意味します（モーター全体を再設計する気がない限り）。

米国と欧州はそのサプライチェーンを多様化しようとしている。 2000年代初頭に閉鎖されたカリフォルニアの鉱山は最近再開され、現在では世界のレアアースの15パーセントを供給しているが、その鉱石は加工のために中国に輸送されている。米国では、政府機関、特に航空機や人工衛星などの装備に強力な磁石を必要とする国防総省は、国内および日本や欧州などの友好国のサプライチェーンへの投資に熱心である。（一方、エネルギー省は、海水からレアアースを隔離するために海藻を使用する方法を検討している。）しかし、コスト、必要なノウハウ、環境問題を考慮すると、その実現には何年も、あるいは何十年もかかるため、ゆっくりと進んでいる。

ジェレミー・ホワイト

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一方で、自動車や風力タービンなどの脱炭素化ツールに組み込まれる磁石の需要が高まっています。アダマス・インテリジェンスによれば、現在、レアアースの 12% が EV に使用されており、この市場はまさに今まさに立ち上がりつつあるという。同時に、レアアースの価格は最近、中国国内の市場や外部企業が必ずしも予測できない政治的介入によってむち打ちになっている。

テキサス大学オースティン校で磁性材料を研究する物理学者、ジム・チェリコウスキー氏は、総合的に見て、代替の仕事ができるビジネスに携わっているのであれば、そうするのがおそらく理にかなっていると言う。しかし、フェライトよりも希土類磁石のより良い代替品を探すには、さまざまな理由があると彼は言います。課題は、次の 3 つの重要な性質を備えた材料を見つけることです。磁性があること、他の磁場の存在下でもその磁性を保持できること、そして高温に耐えられることです。熱い磁石は磁石ではなくなります。

研究者は、どのような化学元素が良い磁石を作ることができるかについてかなりの知識を持っていますが、潜在的な原子配列は数百万通りあります。一部の磁石ハンターは、何十万もの考えられる材料から始めて、レアアースを含むなどの欠点のある材料を除外し、次に機械学習を使用して残った材料の磁性を予測するというアプローチを採用しています。昨年末、チェリコウスキー氏は、このシステムを使用してコバルトを含む新しい高磁性材料を作成した結果を発表した。地政学的に言えば、それは理想的ではありませんが、出発点であると彼は言います。

多くの場合、最大の課題は、簡単に作成できる新しい磁石を見つけることです。マンガンを含むものなど、新しく開発された磁石の中には有望なものもあるが、不安定でもあるとウプサラ大学のヴィシーナ氏は説明する。また、科学者は、材料が非常に磁性であるにもかかわらず、大量に作成できないことを知っている場合もあります。その中には、隕石からのみ知られるニッケルと鉄の化合物であるテトラテーナイトが含まれます。テトラテーナイトは、原子を正しい状態に正確に配置するために、数千年かけてゆっくりと冷却する必要があります。研究室でそれをより迅速に行う試みは進行中ですが、まだ実を結んでいません。

磁石の新興企業である Niron は、理論的にはネオジムより磁性が高いと同社が主張する窒化鉄磁石を開発し、さらに進んでいます。しかし、それもまた気まぐれな素材であり、望ましい形で作って保存するのは難しい。ブラックバーン氏は、同社は進歩しているが、テスラの次世代自動車に間に合うようにEVを改造するほど強力な磁石を生産することはできないと述べた。同氏によると、最初のステップは、新しい磁石をサウンドシステムなどの小型デバイスに組み込むことだという。

クルーマー氏は、他の自動車メーカーがテスラのレアアースとのトレードオフに追随するかどうかは不明だと言う。荷物を積んだ素材にこだわる人もいれば、誘導モーターを使ったり、何か新しいことに挑戦したりする人もいます。同氏によれば、テスラでさえ、おそらく将来の車両には数グラムのレアアースが散布され、自動窓、パワーステアリング、フロントガラスのワイパーなどに散布されることになるだろう。（手品の可能性があるが、テスラの投資家向けイベントでレアアースの含有量を対比したスライドは、実際に現世代の自動車全体を将来のモーターと比較したものだった。）テスラで現在進められているような回避策にもかかわらず、中国から供給されるレアアース磁石は残り続けるだろう。特に世界が脱炭素化を推し進める中、イーロン・マスクを含む私たちとともに。すべてを交換するのは良いかもしれませんが、クルーマー氏が言うように、「時間がありません」。