Além das terras raras: a revolução nos motores elétricos que transformará o futuro dos carros elétricos
A transição para uma mobilidade elétrica é um dos pilares fundamentais para combater as mudanças climáticas, mas esconde um dilema crucial: quase todos os motores de tração dos veículos elétricos (VE) modernos dependem de terras raras. Esses elementos, presentes nos ímãs de neodímio-ferro-boro (NdFeB) que impulsionam a maioria dos modelos, não apenas causam danos ambientais graves durante a extração e processamento, mas também criam fragilidades nas cadeias de suprimentos: cerca de 90% do processamento global de terras raras está concentrado na China, expondo fabricantes de todo o mundo a riscos geopolíticos e econômicos.
No entanto, uma revolução silenciosa está transformando a indústria automobilística. Desde laboratórios de pesquisa até gigantes do setor, estão sendo desenvolvidos motores elétricos que reduzem ou eliminam completamente as terras raras, abrindo caminho para uma mobilidade elétrica mais sustentável, independente e eficiente. Isso não é apenas um avanço técnico: é uma mudança paradigmática que redefine o que significa um carro elétrico “verdadeiramente verde”.
O problema das terras raras: por que sua substituição é urgente
As terras raras (REE, na sigla em inglês) são elementos químicos com propriedades magnéticas únicas. Quando ligados a ferro ou cobalto, formam compostos com altos valores de produto de energia máxima (entre 30 e 55 MGOe, para os NdFeB), remanência (força magnética residual após a magnetização) e coercitividade (resistência à desmagnetização). Essas características são essenciais para fabricar motores compactos, leves e eficientes, razão pela qual dominam o mercado dos VE hoje.
Mas o custo ambiental é elevado. A extração de terras raras requer o uso de ácidos tóxicos que contaminam solos e águas, enquanto o processamento gera resíduos perigosos. Em termos estratégicos, a dependência de um único fornecedor global cria vulnerabilidades: qualquer interrupção no fornecimento poderia paralisar a produção de veículos elétricos em todo o mundo. “Estamos em uma situação paradoxal”, explica Vandana Rallabandi, pesquisadora do Laboratório Nacional de Oak Ridge (ORNL), no Tennessee. “Buscamos construir um sistema de transporte mais sustentável, mas dependemos de materiais cuja produção undermines esse objetivo”.
A indústria responde: parcerias e projetos ambiciosos
A pressão para encontrar alternativas às terras raras impulsionou uma corrida tecnológica sem precedentes. Em novembro de 2023, a General Motors e a Stellantis anunciaram uma colaboração com a startup Niron Magnetics para desenvolver motores de VE usando ímãs permanentes sem terras raras, baseados em nitreto de ferro (FeN). Esse anúncio seguiu a revelação surpreendente da Tesla, em março de 2023, quando um alto executivo declarou que a “próxima unidade de tração” da marca usará ímãs permanentes “totalmente isentos de terras raras” — uma afirmação que causou reverberações em toda a indústria.
Do outro lado do Atlântico, a Aliança Passenger, um consórcio de 20 parceiros industriais e acadêmicos, trabalha em ímãs permanentes sem terras raras específicos para VE. Enquanto isso, o grupo ZF, um importante fornecedor automotivo, desenvolveu um motor síncrono experimental com excitação por indução no rotor, que usa eletroímãs tanto no estator quanto no rotor para eliminar completamente as terras raras. Testes iniciais sugerem que ele pode igualar o desempenho dos motores tradicionais dependentes de terras raras.
Esses esforços não se limitam a evitar terras raras, mas a reimaginar a arquitetura dos motores. “Não estamos apenas trocando ímãs”, explica Burak Ozpineci, outro pesquisador do ORNL. “Estamos repensando como os motores geram torque, usando materiais inteligentes e configurações para compensar a perda das propriedades das terras raras”.
A ciência por trás da substituição: materiais e designs inovadores
Substituir as terras raras requer superar um desafio fundamental: nenhum material sem terras raras combina o produto de energia máxima, remanência e coercitividade do NdFeB. Os engenheiros seguem duas estratégias principais: usar ímãs permanentes sem terras raras ou projetar motores que não necessitem de ímãs permanentes.
Ímãs permanentes sem terras raras: trade-offs e inovações
Os ímãs de ferrita, feitos de óxido de ferro e estrôncio ou bário, são a alternativa mais comum. São baratos e abundantes, mas apresentam limitações significativas: produto de energia baixo (cerca de 3-5 MGOe), remanência menor e coercitividade pobre em altas temperaturas. Para compensar, os engenheiros desenvolveram designs “em raio” que concentram o fluxo magnético, semelhante a como um funil acelera o fluxo da água. Esses motores de ferrita podem igualar o torque de modelos com terras raras, mas são cerca de 30% mais pesados e mais complexos de fabricar.
Os ímãs de alnico — ligas de alumínio, níquel e cobalto — possuem alta remanência, mas sua coercitividade é baixa, tornando-os propensos à desmagnetização durante a operação. Pesquisadores do Laboratório Ames fizeram progressos no aumento da coercitividade do alnico, enquanto outros desenvolvem motores de “memória de fluxo variável”, que usam corrente elétrica para estabilizar a magnetização, reduzindo o risco de desmagnetização.
Um concorrente mais novo é o nitreto de ferro (FeN), desenvolvido pela Niron Magnetics. O FeN possui remanência comparável ao NdFeB, mas sua coercitividade é cerca de um quinto da do ímã de terras raras. Para contornar isso, a Niron e a GM estão trabalhando em rotores projetados para proteger o FeN de campos magnéticos externos, um desafio técnico que pode ser resolvido nos próximos anos.
Os ímãs de manganês-bismuto (MnBi) são outro candidato. Oferecem remanência e coercitividade maiores que a ferrita, embora ainda inferiores ao NdFeB. Pesquisas no ORNL mostraram que motores com MnBi podem gerar o mesmo torque que os de terras raras, mas com um custo: necessitam de 60% mais volume e 65% mais peso. Seu lado positivo: reduzem os custos totais em 32%, o que os torna atraentes para veículos comerciais e frotas.
Motores sem ímãs permanentes: a revolução da relutância
Para aplicações onde peso e tamanho são cruciais, os engenheiros recorrem a motores que geram torque sem ímãs permanentes. Os motores de relutância síncrona (SynRM) lideram essa categoria. Funcionam graças à relutância — a resistência de um material ao fluxo magnético. O rotor, feito de material ferromagnético, gira para alinhar-se com o campo magnético do estator, usando essa propriedade para gerar movimento.
Historicamente, os SynRM eram menos eficientes que os motores síncronos de ímãs permanentes, mas designs recentes combinam relutância com pequenas quantidades de ferrita (criando “SynRM assistidos por ímãs permanentes”) para melhorar o desempenho. Esses motores híbridos reduzem a lacuna de eficiência para apenas 2-3% em relação aos de terras raras, evitando ao mesmo tempo o uso de terras raras pesadas.
Outra abordagem é usar eletroímãs tanto no estator quanto no rotor. Motores tradicionais de rotor bobinado usam escovas de carbono e anéis coletores para transmitir corrente aos eletroímãs rotativos, mas as escovas desgastam-se e geram poeira — problemas para VE. Designs modernos resolvem isso com “transformadores rotativos” ou “excitadores”, que transmitem energia electricamente ao rotor, eliminando escovas. O motor experimental da ZF usa essa tecnologia, entregando 220 kW com densidade de potência e eficiência comparáveis aos de NdFeB.
Designs híbridos: combinando forças
As soluções mais promissoras frequentemente combinam essas estratégias. Os motores de ímãs permanentes internos (IPM), usados por GM, Tesla e Toyota, embutem ímãs no rotor para aproveitar tanto a atração/repulsão magnética quanto o torque de relutância. Ao otimizar esse equilíbrio, os engenheiros reduziram drasticamente o uso de terras raras: o Toyota Prius, por exemplo, reduziu a massa de ímãs de 1,2 kg em 2004 para cerca de 0,5 kg em 2017. O motor do Chevrolet Bolt também usou 30% menos material magnético que seu predecessor, o Spark.
“Esses designs híbridos são uma ponte”, afirma Rallabandi. “Eles nos permitem reduzir terras raras hoje, enquanto desenvolvemos opções totalmente isentas para o futuro”.
Avanços nos laboratórios: superando limitações com engenharia
Laboratórios de pesquisa estão na linha de frente desse desenvolvimento. No ORNL, cientistas desenvolveram um motor de tração de 100 kW cujos ímãs não usam terras raras pesadas (como o disprósio, adicionado ao NdFeB para aumentar a coercitividade em altas temperaturas). Outra característica interessante é a integração de eletrônica de potência no motor, incluindo inversor — componente que converte a corrente contínua da bateria em alternada, na frequência certa para mover o motor.
Na prevenção do superaquecimento dos ímãs, os pesquisadores enfrentaram desafios fundamentais. Os ímãs permanentes são bons condutores, e quando um condutor elétrico se move em um campo magnético — como o rotor durante a operação — são geradas correntes. Essas correntes não produzem torque, mas aquecem os ímãs e podem causá-los a desmagnetizar. Uma solução é fabricar os ímãs em segmentos finos, isolados uns dos outros, que quebram o caminho do ciclo de corrente. No motor do ORNL, cada segmento tem apenas 1 mm de espessura.
Os pesquisadores escolheram usar um ímã NdFeB tipo N50, capaz de operar em temperaturas de até 80°C. Além disso, usaram fibra de carbono e epóxi para reforçar o diâmetro externo do rotor, permitindo que ele gire a até 20.000 rpm. Análises do protótipo mostraram que, em velocidade máxima, é necessário forçar ar pelo motor para reduzir sua temperatura — um compromisso aceitável para evitar terras raras pesadas no design.
O papel da ciência dos materiais
Materiais avançados ajudam a fechar a lacuna entre motores com e sem terras raras. O aço alto silício reduz perdas magnéticas, enquanto ligas de cobre de alta condutividade (duas vezes mais condutivas que o cobre padrão) podem reduzir o volume do motor em 30%. Materiais magnéticos “bifásicos” da General Electric Aerospace, que podem ser magnetizados ou desmagnetizados seletivamente, eliminam vazamentos de fluxo, permitindo designs sem ímãs permanentes.
Desafios e perspectivas: quando veremos esses motores nas ruas
Apesar dos avanços, obstáculos persistem. Motores sem terras raras são mais pesados ou volumosos, e sua fabricação requer técnicas novas — como usinagem de alta precisão para os SynRM. A indústria também precisa adaptar cadeias de suprimentos para materiais como o FeN ou o MnBi, que ainda não são produzidos em escala.
No entanto, os prazos são ambiciosos. A Tesla espera lançar sua próxima unidade de tração, sem terras raras, em 2025. GM e Stellantis visam motores baseados em tecnologia da Niron até 2026. A ZF planeja comercializar seu motor de excitação por indução em 2027, com foco em veículos premium por sua alta densidade de potência.
“O sucesso não depende apenas do desempenho”, nota Ozpineci. “Depende de escalabilidade, custo e como esses motores se encaixam nas cadeias de suprimentos existentes”. Fabricantes precisarão equilibrar custos de curto prazo com segurança de suprimentos de longo prazo — um cálculo que varia por região e empresa.
Conclusão: uma futura mobilidade mais sustentável
A transição para motores sem terras raras não é apenas um desafio técnico, mas um passo necessário para tornar os veículos elétricos verdadeiramente sustentáveis. Ao eliminar a dependência de materiais ambientalmente danosos e geopolíticamente sensíveis, fabricantes podem alinhar os VE com seus objetivos climáticos, criando um sistema de transporte mais limpo desde a mina até a roda.
“Não será fácil”, admite Praveen Kumar, colaborador do ORNL. “Mas cada avanço — no laboratório ou na fábrica — nos aproxima. O dia em que terras raras não forem mais cruciais para os VE está chegando, e não pode chegar cedo suficiente”.
Autores: Vandana Rallabandi, Burak Ozpineci, Praveen Kumar
Afiliação: Laboratório Nacional de Oak Ridge, Tennessee, EUA
Revista: IEEE SPECTRUM
Data de publicação: agosto de 2024
DOI: 10.1109/SPECTRUM.2024.3387654