テスラの磁石の謎はイーロン・マスクが妥協する意思があることを示している

先月、テスラの投資家向けライブストリーミングイベントが開催されました。新車に関する発表は少なく、壮大な物語が長々と語られましたが、イーロン・マスク氏の「マスタープラン・パート3」の些細な詳細が、物理学の隠れた一角で大きなニュースとなりました。テスラのパワートレイン部門の幹部、コリン・キャンベル氏は、サプライチェーンへの懸念と製造に伴う毒性を理由に、自社のモーターから希土類磁石の使用を廃止すると発表したのです。

この点を強調するため、キャンベル氏は3つの謎の物質を示す2枚のスライドをクリックした。これらの物質には、分かりやすく「希土類元素1」「希土類元素2」「希土類元素3」とラベルが付けられていた。最初のスライドはテスラの現在を表しており、含有量は0.5キログラムから10グラムまでの範囲に及んでいる。次のスライド（特定されていない未来のテスラ）では、すべての含有量がゼロに設定されている。

電子の動きによって物質が及ぼす不思議な力を研究し、時に謎めいた手振りを交えて説明する磁気学者にとって、レアアース1の正体は明白だった。ネオジムだ。鉄やホウ素といったより馴染みのある元素にこの金属を加えると、強力な常時磁場を作り出すことができる。しかし、この性質を持つ物質は少ない。そして、4,500ポンドのテスラを動かすほどの強力な磁場を生成できる物質はさらに少ない。産業用ロボットから戦闘機まで、他にも多くのものを動かすことができる。もしテスラがモーターからネオジムなどの希土類元素を排除する計画だとしたら、代わりにどのような磁石を使うのだろうか？

物理学者たちにとって一つ明らかなことがあった。テスラは根本的に新しい磁石素材を発明していなかったのだ。「新しい商用磁石は1世紀に数回しか登場しない」と、ニロン・マグネティクスの戦略担当副社長、アンディ・ブラックバーン氏は言う。同社は、そのような革新を次なるものにしようと奮闘する数少ないスタートアップ企業の一つだ。

ブラックバーン氏をはじめとする磁力計の研究者たちは、テスラがはるかに弱い磁石で十分だと判断した可能性が高いと考えた。候補リストにはコバルトなど高価で地政学的に問題のある元素がほとんど含まれていたが、その中で最も有力な候補はフェライトだった。フェライトとは、鉄と酸素に少量のストロンチウムなどの金属を混ぜたセラミックである。安価で製造が容易なため、1950年代から世界中の冷蔵庫のドアが閉まらなくなっている原因となってきた。

しかし、フェライト磁石の磁力は体積比でネオジム磁石の約10分の1に過ぎず、新たな疑問が生じている。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磁石に切り替えるのであれば、何か妥協する必要があるようだ。（同社はコメント要請に応じなかった。）

EVを動かすのはバッテリーだと考えがちですが、実際には電気自動車を動かすのは電磁力です。（テスラという会社名と、磁気の単位であるテスラが同じ人物にちなんで名付けられたのは偶然ではありません。）電子がモーター内のコイルを流れると、磁力に逆らう電磁場が発生し、モーターのシャフトが回転して車輪が回転します。

テスラの後輪に動力を供給するのは、永久磁石を備えたモーターです。永久磁石は、原子の周りを電子が巧みに回転することで、電気入力なしでも安定した磁場を発生させるという不思議な性質を持つ材料です。テスラがこれらの磁石を車に搭載し始めたのは、バッテリーをアップグレードすることなく走行距離を伸ばし、トルクを向上させるため、約5年前のことです。それ以前は、電流を消費することで磁化する電磁石を基盤とした誘導モーターを使用していました。（フロントモーター搭載モデルでは、現在もこの誘導モーターが使用されています。）

レアアースの使用を控え、最高の磁石を放棄するのは、少し奇妙に思えるかもしれない。自動車メーカーは一般的に効率性にこだわりがちだが、特にEVの場合は、航続距離の短さに対するドライバーの不安を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の生産規模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技術が復活しつつある。

テスラをはじめとする自動車メーカーが、LFP（リン酸鉄リチウム）製のバッテリーを搭載した車両を増産していることからも、その傾向が見て取れます。これらのバッテリーは、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航続距離が短い傾向があります。これは古い技術です。確かに重くなります。そして、エネルギー効率も低いのです。（現行のLFP搭載モデル3は航続距離272マイルを約束しており、より高性能なバッテリーを搭載した長距離仕様のモデルSは400マイルを超えることができます。）しかし、高価で政治的に不安定な素材を扱わなくて済むため、より賢明なビジネス選択となる可能性があります。

それでも、テスラが磁石をフェライトのようなはるかに劣ったものに交換するだけで、他の変更を加えないということは考えにくい。「車で持ち運ぶには巨大な磁石が必要になります」とウプサラ大学の物理学者アレナ・ヴィシナは言う。幸い、モーターは他の多くの部品を持つかなり複雑な機械であり、理論的には弱い磁石を使うことによるペナルティを和らげるために再配置することが可能だ。材料会社プロテリアルは最近、コンピューターモデルで、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、希土類元素駆動モーターの多くの性能指標を再現できることを突き止めた。その場合の結果は、モーターの重量が約30パーセント増えただけであり、車全体の大きさに比べれば小さな差かもしれない。

こうした悩みを抱えながらも、自動車会社が希土類元素を手放す理由はいくらでもある。もしそれが可能ならば。1990年代初頭、中国の指導者、鄧小平が希土類元素をサウジアラビアの石油に相当すると宣言して以来、希土類元素は環太平洋地域の地政学的不安を象徴する一種の流行語となってきた。希土類元素が石油とは全く異なることはさておき、市場全体の価値は米国の卵市場とほぼ同程度であり、理論上は世界中で採掘、加工、そして磁石に加工できる。しかし、これらすべてを行っているのは中国だけなのだ。

中国のほぼ独占状態は、経済的な要因（1990年代には安価な中国産レアアースが市場に溢れ、米国などの鉱山や加工施設の閉鎖を早めた）と環境への懸念が一因となっている。レアアースの採掘と精製は、悪名高い有害事業である。磁石の力を高めるネオジムのような最も価値の高い元素は、他のレアアースやウラン、トリウムといった放射性元素と強く結合しているためである。今日、中国は世界で採掘されるレアアースの約3分の2を生産し、世界の磁石の90%以上を加工している。

「100億ドル規模の産業があり、年間2兆ドルから3兆ドル相当の製品を生み出しています。これは莫大な影響力です」と、鉱物アナリストで人気ブログ「レアアース・オブザーバー」の著者であるトーマス・クルーマー氏は語る。これは車にも当てはまると彼は言う。たとえ数キログラムしか搭載されていなかったとしてもだ。それらを取り出せば、車は動かなくなる（エンジン全体を再設計しない限り）。

米国と欧州は、そのサプライチェーンの多様化に取り組んでいます。2000年代初頭に閉鎖されたカリフォルニアの鉱山が最近再開し、現在では世界のレアアースの15%を供給しています。ただし、その鉱石は加工のために中国に輸送されています。米国では、政府機関、特に航空機や衛星などの機器に強力な磁石を必要とする国防総省が、国内および日本や欧州のような友好国におけるサプライチェーンへの投資に熱心に取り組んでいます。（一方、米国エネルギー省は、海藻を使って海水からレアアースを分離する方法を検討しています。）しかし、コスト、必要なノウハウ、そして環境問題を考えると、その進展は遅く、実現には何年も、あるいは何十年もかかるでしょう。

一方、自動車や風力タービンといった脱炭素化ツールに組み込まれる磁石の需要は高まっています。アダマス・インテリジェンスによると、現在、希土類元素の12%がEVに使用されており、この市場はまさに急成長を遂げつつあります。同時に、希土類元素の価格は、中国国内市場や、外部企業が必ずしも予測できない政治的介入の影響により、最近急騰しています。 

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、「結局のところ、代替手段を活用できるビジネスに携わっているのであれば、そうするのは理にかなっていると言えるでしょう」と述べています。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理由は様々だとチェリコウスキー氏は指摘します。課題は、3つの重要な特性を持つ材料を見つけることです。磁性を持つこと、他の磁場の存在下でもその磁性を維持すること、そして高温に耐えられることです。高温の磁石は磁石ではなくなります。

研究者たちは、どのような化学元素が優れた磁石を作ることができるかについてかなり正確な知識を持っていますが、原子配列の可能性は数百万通りあります。磁石を探し求める人たちの中には、数十万通りの候補物質から始めて、希土類元素を含むなどの欠点のある物質を除外し、残った物質の磁性を機械学習で予測するというアプローチをとっている人もいます。昨年末、チェリコウスキー氏は、このシステムを用いてコバルトを含む新たな高磁性物質を作成した結果を発表しました。地政学的には理想的ではありませんが、出発点にはなると彼は言います。

多くの場合、最大の課題は、容易に作れる新しい磁石を見つけることです。ウプサラ大学のヴィシナ氏によると、マンガンを含むものなど、新たに開発された磁石の中には有望なものもあるものの、不安定であるという。また、科学者たちは物質が非常に強い磁性を持つと知っているものの、大量に作ることができないケースもあります。例えば、隕石でしか知られていないニッケルと鉄の化合物であるテトラテーナイトは、原子を正しい状態に正確に配列させるには、数千年かけてゆっくりと冷却する必要があります。実験室でより迅速に作るための試みは進行中ですが、まだ成果は上がっていません。

磁石のスタートアップ企業であるニロン社は、理論上はネオジムよりも磁力が強いとされる窒化鉄磁石を開発しており、開発はやや進んでいる。しかし、この磁石も不安定な材料で、望ましい形で製造・保存するのが難しい。ブラックバーン氏によると、同社は進歩はしているものの、テスラの次世代EVに間に合うように電気自動車を変革できるほど強力な磁石を生産するには至らないという。彼によると、最初のステップは、この新しい磁石をサウンドシステムなどの小型機器に搭載することだという。

クルーマー氏は、他の自動車メーカーがテスラの希土類代替案に追随するかどうかは不明だと語る。中には、負担の大きい素材に固執するメーカーもあれば、誘導モーターを採用したり、何か新しいものを試したりするメーカーもあるだろう。彼によれば、テスラでさえ、将来の車には自動窓、パワーステアリング、ワイパーなどに数グラムの希土類が散りばめられる可能性が高いという。（おそらくは策略だろうが、テスラの投資家向けイベントで使用された希土類含有量を比較したスライドでは、現行の自動車1台と将来の モーターが比較されていた。）テスラが取り組んでいるような回避策があるにもかかわらず、中国産の希土類磁石は、特に世界が脱炭素化を推進する中で、イーロン・マスクを含め、私たちの周りには存在し続けるだろう。すべてを交換できれば良いのだが、クルーマー氏が言うように、「私たちにはそんな時間はない」のだ。