De huidige magneten voor elektromotoren bevatten zeldzame grondstoffen die niet alleen duur zijn, maar die zich ook op lastige plekken bevinden. Dat kan een probleem worden als elektrisch rijden straks exponentieel gaat groeien. Toyota heeft een oplossing gevonden: een nieuw soort magneet. Dat klinkt misschien niet zo spannend, maar ondertussen gaat het om een innovatie die de definitieve doorbraak van elektrische auto’s flink kan versnellen.

Zonder magneet valt een elektromotor direct stil. De boel komt pas in beweging als elektrische energie wordt omgezet in elektromagnetisme. Dat principe werd al in 1821 door de Britse wetenschapper Michael Faraday ontdekt. En het was Nikola Tesla die in 1888 de inductiemotor uitvond: een efficiënte en goedkope motor die gebruikmaakt van een magnetisch draaiveld. Dat principe bleek niet alleen verrassend simpel, maar ook zeer effectief. De inductiemotor heeft zo weinig bewegende onderdelen dat hij bijna niet kapot te krijgen is. Dit is dan ook het type motor dat vandaag de dag standaard in elektrische auto’s wordt gebruikt.

Zeldzame aardelementen

Om in de elektromotor een magnetisch draaiveld op te kunnen wekken, is er een materiaal met krachtige magnetische eigenschappen nodig. Daarbij komt er in een motor van een elektrische auto flink wat warmte vrij. De magneet moet dus een extreem grote hittebestendigheid hebben. Tot dusver waren alleen neodymiummagneten geschikte kandidaten. Deze hittebestendige magneten bevatten naast neodymium ook terbium en dysprosium. Ze werken prima, die magneten. Wat alleen wel jammer is: het zijn alle drie zeldzame en dure aardelementen. Ondertussen wijst alles erop dat de wereldbevolking steeds vaker voor een auto kiest met een elektrische of hybride aandrijving.

Doorbraak

Met de huidige magneetsamenstelling kunnen er in de toekomst dus serieuze tekorten ontstaan. Toyota heeft de uitdaging opgepakt en na jarenlang experimenteren, is er een doorbraak. Toyota ontwikkelde met succes een magneet waarin maar half zoveel neodymium zit als in de traditionele neodymiummagneten. En terbium en dysprosium? Die zeldzame metalen zijn in die nieuwe magneet helemaal niet meer terug te vinden. Daarbij heeft Toyota een manier gevonden om de magneet een hittebestendigheid te geven die dicht in de buurt komt van die van neodymiummagneten. Dat is goed nieuws voor voorstanders van elektrisch rijden. Heel goed nieuws.

Kleinere magneetkorrels

Makkelijk was het niet om een goed alternatief te ontwikkelen voor de huidige neodymiummagneten. Dat was zelfs zo ingewikkeld dat het lastig is om uit te leggen. Maar we doen toch even een poging. Om te beginnen hebben de ontwikkelaars een manier gevonden om de magneetkorrels tot wel tien keer kleiner te maken dan de korrels in een neodymiummagneet. Waarom? Omdat kleinere magneetkorrels beter in staat zijn om bij hogere temperaturen hun magnetische eigenschappen te behouden.

Slim gebruik van concentraat

Het gebruik van kleinere magneetkorrels bleek nog niet voldoende om de hoeveelheid neodymium flink te verminderen. Maar daar bedachten de ontwikkelaars iets slims voor: ze brachten een neodymiumconcentraat aan op het oppervlak van de magneetkorrels. In de kern van de korrel hoefden ze daardoor minder van dit zeldzame aardelement te gebruiken. Op die manier lukte het om de hoeveelheid neodymium met maar liefst de helft te verminderen.

Testen, testen en nog eens testen

De laatste uitdaging vormde de gewenste vervanging van terbium en dysprosium. De ontwikkelaars van Toyota hebben daarvoor flink geëxperimenteerd met lanthaan en cerium. Dat zijn beide goedkope aardelementen die bovendien nog in ruime hoeveelheid aanwezig zijn. In eerste instantie nam de hittebestendigheid van de magneet af als deze grondstoffen aan neodymium werden toegevoegd. Maar de ontwikkelaars bleven het proberen en deden vele testen. Na de zoveelste evaluatie ontdekten ze waar ze al die tijd al op hadden gehoopt: bij een specifieke verhouding bleef de hittebestendigheid op het gewenste niveau.

Gouden combinatie

Het verkleinen van de korrel, het slimme gebruik van neodymiumconcentraat en de juiste verhouding lanthaan en cerium: dat bleek de gouden combinatie. De uitvinding van een totaal nieuwe magneet was een feit. De inspanningen van de ontwikkelaars van Toyota hadden dus het gewenste resultaat. Hun vasthoudendheid heeft wel iets weg van de manier waarop Thomas Edison in de negentiende eeuw te werk ging bij de ontwikkeling van de gloeilamp. Hij stopte ook niet tot hij precies de juiste samenstelling van de gloeidraad had ontdekt.

Auto’s, huishoudelijke apparaten, robots

De nieuwe magneet kan in de toekomst breed worden toegepast. Om te beginnen gaat Toyota de nieuwe technologie geschikt maken voor gebruik in de elektrische stuurbekrachtiging van auto’s. Generatoren en huishoudelijke apparaten zijn ook geschikte gebruikers. En naar verwachting kan de nieuwe magneet binnen tien jaar ingezet worden in de high performance aandrijfmotoren van elektrische voertuigen. Daarna zijn ook robots aan de beurt. Of misschien wel eerder. Hoe dan ook: de nieuwe magneet van Toyota zal in de toekomst alleen nog maar meer aantrekkingskracht krijgen.