Así se las arregla Nissan para utilizar la menor cantidad posible de tierras raras en sus coches eléctricos
La electrificación del automóvil ha colocado en primer plano materiales que hasta hace no demasiado tiempo apenas aparecían en las conversaciones sobre coches. Litio, níquel o cobalto son algunos de los más conocidos por su utilización en las baterías, pero los motores eléctricos plantean su propio desafío. Una parte de ellos necesita potentes imanes permanentes, y estos pueden depender de determinadas tierras raras cuya producción y procesamiento están muy concentrados geográficamente. Nissan lleva más de una década intentando reducir esa dependencia y ha optado por atacar el problema desde varios ángulos al mismo tiempo.
La estrategia del fabricante japonés no consiste simplemente en eliminar las tierras raras de todos sus motores. Su planteamiento es más pragmático. Allí donde un imán permanente sigue ofreciendo ventajas importantes en eficiencia, densidad de potencia y tamaño, Nissan intenta reducir al mínimo los materiales más críticos. En otros modelos utiliza una arquitectura de motor que prescinde completamente de los imanes permanentes. Y cuando esos materiales ya han sido utilizados, trabaja para recuperarlos y devolverlos al ciclo productivo.
Las llamadas tierras raras forman una familia de 17 elementos químicos cuya denominación puede resultar algo engañosa. No son necesariamente materiales extraordinariamente escasos en la corteza terrestre; la dificultad radica en encontrar concentraciones que puedan explotarse de manera rentable y, sobre todo, en separar unos elementos de otros, ya que sus propiedades químicas son muy similares. Para la industria del automóvil, el problema se agrava porque tanto la extracción como las posteriores etapas de refinado y fabricación están fuertemente concentradas en determinadas zonas del planeta.
En los motores eléctricos de imanes permanentes, uno de los elementos clave es el disprosio. Los imanes de neodimio, hierro y boro se encuentran entre los más potentes disponibles comercialmente, pero tienen que soportar temperaturas elevadas cuando trabajan dentro de un coche. Conforme aumenta el calor, pueden perder propiedades magnéticas y correr el riesgo de desmagnetizarse.
El disprosio ayuda precisamente a evitar ese problema porque aumenta la coercitividad del imán, es decir, su capacidad para conservar sus propiedades magnéticas en condiciones térmicas exigentes. El inconveniente es que resulta caro y procede de una cadena de suministro particularmente sensible; además, utilizar demasiado no aporta necesariamente ventajas. De ahí que Nissan haya dedicado buena parte de sus esfuerzos a conseguir el mismo efecto utilizando una cantidad mucho menor.
Uno de sus primeros grandes avances en el campo de que hablamos llegó en 2012. En colaboración con un proveedor, la compañía desarrolló un motor que empleaba una técnica conocida como difusión en borde de grano. En lugar de distribuir el disprosio uniformemente por todo el imán, lo concentraba en los límites de los granos cristalinos, justamente en las zonas donde resulta más eficaz para mejorar la resistencia térmica.
Gracias a esta solución, Nissan consiguió fabricar un motor con un 40% menos de disprosio que un motor eléctrico convencional manteniendo la misma resistencia a las altas temperaturas. La tecnología se estrenó en la actualización del Leaf lanzada en Japón en noviembre de 2012 y marcó el inicio de una reducción progresiva que continuaría durante los años siguientes.
La evolución resulta especialmente clara al observar el Note e-Power presentado en 2020. Sus imanes utilizaban un 85% menos de tierras raras pesadas que los empleados en el Leaf original de 2010. Nissan había conseguido así reducir drásticamente la proporción de los materiales más críticos sin tener que renunciar a las ventajas de los motores de imanes permanentes.
Pero reducir la cantidad no es la única posibilidad. En el Nissan Ariya, la marca tomó un camino completamente distinto mediante un motor síncrono de excitación eléctrica, conocido por las siglas EESM. Frente a los motores de imanes permanentes interiores utilizados en modelos como el Leaf, el Note o el Serena e-Power, en este caso se sustituye el imán permanente del rotor por un electroimán.
La diferencia es relevante porque el campo magnético se genera mediante una bobina cuando circula corriente eléctrica a través de ella. El rotor, por tanto, no precisa de los imanes permanentes que emplean tierras raras para mantener sus prestaciones cuando aumenta la temperatura. Además, Nissan asegura poder regular de manera independiente las corrientes del rotor y del estator según las necesidades de funcionamiento, lo que permite optimizar la eficiencia y reducir determinadas vibraciones y ruidos.
Esta solución tampoco es universalmente superior. Un rotor excitado tiene mayor complejidad y genera más calor porque necesita alimentación eléctrica, mientras que un motor de imanes permanentes puede ofrecer una elevada densidad de potencia y mucho par ocupando poco espacio. La marca mantiene por ello las dos tecnologías en su gama y escoge una u otra dependiendo de las necesidades de cada vehículo.
Además, sigue afinando los motores que sí necesitan imanes. En los nuevos sistemas modulares X in 1 ha desarrollado un propulsor en el que las tierras raras pesadas representan un 1% o menos del peso total del imán. El objetivo vuelve a ser el mismo que en los primeros trabajos realizados hace más de una década: aprovechar las cualidades del imán permanente utilizando únicamente la cantidad imprescindible del material más delicado.
Recuperación a posteriori
El tercer frente del asunto surge cuando el motor deja de utilizarse. Nissan lleva años recuperando los imanes de motores defectuosos o que no cumplen las especificaciones de fabricación, pero el procedimiento tradicional requería tareas de desmagnetización, extracción y desmontaje que complicaban el reciclaje.
Junto con la Universidad de Waseda, la firma ha probado un método que evita buena parte de ese trabajo. El motor se funde a una temperatura mínima de 1.400 grados y, mediante la incorporación de diferentes materiales, las tierras raras terminan concentrándose en una capa de escoria desde la que pueden recuperarse. En los ensayos realizados hasta ahora, el proceso ha permitido recuperar el 98% de esos materiales críticos y reducir aproximadamente a la mitad el tiempo y el trabajo necesarios respecto al sistema anterior.
El interés de toda esta tecnología va más allá de ahorrar unos gramos de material en cada coche. La minería de tierras raras está muy concentrada y todavía lo está más la fabricación de los propios imanes, lo que convierte su suministro en un posible cuello de botella para una industria que pretende fabricar vehículos electrificados por millones. Reducir el consumo de disprosio permite contener la dependencia de esa cadena y, al mismo tiempo, disminuye la cantidad de nuevos recursos que es necesario extraer.
La filosofía de Nissan consiste así en no apostar todo a una sola tecnología. Si el imán permanente es la mejor solución para un determinado coche, intenta fabricar ese imán con la menor proporción posible de tierras raras pesadas. Si las características del vehículo permiten utilizar otro tipo de motor, puede eliminar esos imanes mediante una arquitectura de excitación eléctrica. Y una vez terminado el ciclo de vida del propulsor, pretende recuperar la mayor cantidad posible de los materiales empleados.
Los tres caminos forman parte del Nissan Green Program 2030 y de un objetivo a más largo plazo todavía más ambicioso, llegar a un escenario en el que no sea necesario recurrir a nuevos recursos materiales. La experiencia acumulada desde el primer Leaf demuestra, dice la marca, que reducir la dependencia de las tierras raras no exige necesariamente renunciar a prestaciones. En buena medida, se trata de utilizarlas únicamente allí donde realmente son necesarias, aprovechar cada gramo mejor que antes y procurar que, cuando termine la vida del motor, ese material pueda volver a empezar el recorrido.
