Más allá de las tierras raras: la innovación en motores eléctricos que redefine la movilidad sostenible
La transición hacia una movilidad eléctrica es uno de los pilares fundamentales para combatir el cambio climático, pero este proceso se enfrenta a un obstáculo crucial: la dependencia de las tierras raras en la fabricación de motores de tracción. Estas sustancias, presentes en los imanes de neodimio-ferro-boro (NdFeB) que impulsan la mayoría de los vehículos eléctricos (VE) modernos, no solo generan graves impactos ambientales durante su extracción y procesamiento, sino que también crean fragilidades en las cadenas de suministro: el 90% del procesamiento global de tierras raras se concentra en China, lo que expone a fabricantes de todo el mundo a riesgos geopolíticos y económicos.
Frente a este dilema, una ola de innovación está transformando la industria automotriz. Desde laboratorios académicos hasta gigantes del sector, se están desarrollando motores eléctricos que reducen o eliminan por completo las tierras raras, abriendo la puerta a una movilidad eléctrica más sostenible, independiente y eficiente. Este no es solo un avance técnico: es un cambio paradigmático que redefine lo que significa un vehículo eléctrico «verdaderamente verde».
El reto de las tierras raras: por qué su reemplazo es imprescindible
Las tierras raras (REE) son elementos químicos con propiedades magnéticas únicas. Cuando se alean con hierro o cobalto, forman compuestos con altos valores de producto de energía máxima (entre 30 y 55 MGOe en el caso del NdFeB), remanencia (fuerza magnética residual) y coercitividad (resistencia a la desmagnetización). Estas características son esenciales para fabricar motores compactos, ligeros y eficientes, razones por las cuales dominan el mercado de los VE actuales.
Pero el costo ambiental es alto. La extracción de tierras raras requiere el uso de ácidos tóxicos que contaminan suelos y aguas, mientras que su procesamiento genera residuos peligrosos. A nivel estratégico, la dependencia de un solo proveedor global crea vulnerabilidades: cualquier interrupción en la oferta podría paralizar la producción de vehículos eléctricos en todo el mundo. «Estamos en una situación paradoxal», explica Vandana Rallabandi, investigadora del Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) en Tennessee. «Buscamos reducir emisiones con los VE, pero nos apoyamos en materiales cuya producción daña el planeta».
La industria responde: alianzas y avances clave
La presión por encontrar alternativas ha impulsado una carrera tecnológica sin precedentes. En noviembre de 2023, General Motors y Stellantis anunciaron una colaboración con la startup Niron Magnetics para desarrollar motores basados en imanes de nitruro de hierro (FeN), un material sin tierras raras con propiedades magnéticas prometedoras. Este anuncio vino después de la sorprendente declaración de Tesla en marzo de ese mismo año: su «próxima unidad de tracción» utilizará imanes permanentes «sin ninguna tierra rara», un reto que nadie creía posible hace una década.
En Europa, la Alianza Passenger, compuesta por 20 entidades industriales y académicas, trabaja en imanes permanentes sin tierras raras específicamente diseñados para vehículos eléctricos. Por su parte, el grupo ZF, líder en componentes automotrices, presentó un motor síncrono experimental con excitación por inducción en el rotor, que usa electroimanes en el estátor y el rotor para eliminar por completo las tierras raras. Según fuentes de la compañía, este motor de 220 kW iguala la densidad de potencia y eficiencia de los modelos basados en NdFeB.
«Estos avances no son solo sobre materiales, sino sobre reimaginar cómo funciona un motor», afirma Burak Ozpineci, colega de Rallabandi en el ORNL. «La clave está en combinar diseño inteligente y materiales innovadores para compensar la pérdida de propiedades magnéticas de las tierras raras».
La ciencia detrás de la sustitución: materiales y diseños revolucionarios
Reemplazar las tierras raras no es tarea fácil. Ningún material sin ellas combina el producto de energía máxima, la remanencia y la coercitividad del NdFeB. Por ello, los ingenieros siguen dos caminos principales: imanes permanentes sin tierras raras y motores que no necesitan imanes permanentes en absoluto.
Imanes permanentes sin tierras raras: equilibrios y desafíos
Los imanes de ferrita, compuestos por óxido de hierro y estroncio, son la alternativa más común. Son económicos y abundantes, pero su producto de energía (3-5 MGOe) es mucho menor que el del NdFeB, lo que requiere diseños más voluminosos. Para compensar, los ingenieros han desarrollado motores de ferrita en configuración «radio», que concentran el flujo magnético como un embudo acelera el agua. Estos modelos alcanzan torque similar a los de tierras raras, pero son un 30% más pesados y complejos de fabricar.
Los imanes de alnico (aleaciones de aluminio, níquel y cobalto) tienen una remanencia alta, pero su coercitividad es baja, lo que los hace propensos a la desmagnetización. Para solucionar esto, investigadores del Laboratorio Ames desarrollaron motores de «memoria de flujo variable», que usan corriente eléctrica para estabilizar la magnetización. Aunque aún en fase experimental, estos diseños reducen el riesgo de desmagnetización en un 40%.
Una prometedora alternativa es el nitruro de hierro (FeN), desarrollado por Niron Magnetics. Este material tiene una remanencia comparable al NdFeB, pero su coercitividad es un quinto de la del imán de tierras raras. Para superar esto, Niron y GM están trabajando en rotores diseñados para proteger el FeN de campos magnéticos externos, un reto técnico que podría resolverse en los próximos años.
Los imanes de manganeso-bismuto (MnBi) son otro candidato. Ofrecen mayor remanencia y coercitividad que la ferrita, aunque inferiores al NdFeB. Pruebas en el ORNL mostraron que motores con MnBi alcanzan el mismo torque que los de tierras raras, pero con un 60% más de volumen y 65% más de peso. Su ventaja: reducen los costos totales en un 32%, lo que los hace atractivos para vehículos comerciales y flotas.
Motores sin imanes permanentes: la revolución de la reluctancia
Los motores de reluctancia síncrona (SynRM) no usan imanes permanentes, lo que los hace completamente libres de tierras raras. Funcionan gracias a la reluctancia: la resistencia de un material al flujo magnético. El rotor, hecho de acero ferroso, gira para alinearse con el campo magnético del estátor, generando torque sin imanes.
Históricamente, los SynRM eran menos eficientes que los de imanes permanentes, pero los modelos modernos integran pequeñas ferritas para aumentar el torque (llamados SynRM asistidos), reduciendo la brecha de eficiencia a tan solo 2-3%. Fabricantes como Volkswagen y Ford están probando estos motores en modelos eléctricos compactos, con resultados positivos en consumo y durabilidad.
Otra alternativa son los motores con rotor bobinado, que usan electroimanes en el rotor alimentados por transformadores rotativos (sin escobillas ni anillos colectores, que se desgastan). Este diseño elimina problemas de mantenimiento y es 100% libre de tierras raras. El motor experimental del ZF usa esta tecnología, logrando 20.000 rpm con refrigeración por aire, un hito técnico que demuestra su viabilidad.
Diseños híbridos: combinando lo mejor de ambos mundos
Los motores de imanes permanentes internos (IPM), usados por Toyota, GM y Tesla, integran imanes en el rotor para aprovechar tanto la atracción magnética como el torque de reluctancia. Gracias a este diseño, Toyota redujo la masa de imanes en el Prius de 1,2 kg (2004) a 0,5 kg (2017), mientras que el Chevrolet Bolt usa 30% menos material magnético que su predecesor, el Spark.
«Los IPM son una puerta hacia la independencia de tierras raras», explica Praveen Kumar, también del ORNL. «Al optimizar la combinación de imanes y reluctancia, podemos reducir su uso sin perder rendimiento».
Avances en laboratorios: desde la teoría a la práctica
El ORNL ha estado a la vanguardia de esta investigación. Su motor de 100 kW, desarrollado en 2023, elimina por completo las tierras raras pesadas (como el disprosio, usado para resistir altas temperaturas en los NdFeB). Para lograrlo, los ingenieros segmentaron los imanes en trozos de 1 mm de grosor, isolados entre sí, para reducir las corrientes parásitas que generan calor y desmagnetización.
El motor usa imanes NdFeB tipo N50, capaces de operar hasta 80°C, y un rotor reforzado con fibra de carbono para resistir 20.000 rpm. Aunque requiere refrigeración forzada de aire a máxima carga, es un compromiso aceptable para evitar tierras raras pesadas. «Es un ejemplo de cómo el diseño inteligente puede superar limitaciones de materiales», señala Rallabandi.
Otras innovaciones vienen de la ciencia de materiales. El acero alto en silicio reduce las pérdidas magnéticas en un 20%, mientras que aleaciones de cobre con doble conductividad que el estándar reducen el volumen del motor en 30%. Los materiales magnéticos «bifásicos» de GE Aerospace, que se pueden magnetizar o desmagnetizar selectivamente, eliminan las fugas de flujo, permitiendo diseños sin imanes permanentes.
El papel de la inteligencia artificial en el desarrollo
Herramientas de diseño impulsadas por IA, como las usadas en el ORNL, aceleran el proceso de prueba y error. Estas plataformas simulan miles de configuraciones de motores en minutos, identificando las combinaciones de materiales y diseños que mejor equilibran rendimiento, peso y coste. «Lo que tardaba meses ahora se hace en días», afirma Ozpineci. «Esto es crucial para llegar a la producción masiva».
Retos y perspectivas: cuándo veremos estos motores en las calles
A pesar de los avances, obstáculos persisten. Los motores sin tierras raras son más pesados o voluminosos, y su fabricación requiere técnicas nuevas (como mecanizado de alta precisión para los SynRM). La industria también debe adaptar cadenas de suministro para materiales como el FeN o el MnBi, que aún no se producen a escala.
Sin embargo, los plazos son ambiciosos. Tesla prevé lanzar su motor sin tierras raras en 2025, mientras que GM y Stellantis planean modelos con imanes de Niron para 2026. ZF espera comercializar su motor de excitación por inducción en 2027, targeteando a vehículos premium por su alta densidad de potencia.
«El mercado determinará cuál diseño predomina», explica Kumar. «Pero lo claro es que las tierras raras dejarán de ser esenciales. La cuestión es cuándo, no si».
Conclusión: una movilidad más sostenible y resiliente
La transición hacia motores sin tierras raras no es solo una evolución técnica, sino un paso necesario para que los vehículos eléctricos cumplan su promesa de sostenibilidad. Al eliminar la dependencia de materiales dañinos y políticamente sensibles, la industria automotriz puede crear una cadena de valor más limpia, diversificada y resistente a crisis.
«El camino no es fácil, pero cada avance nos acerca», afirma Ozpineci. «Un futuro donde los VE no dependan de tierras raras es inevitable, y llegará más pronto de lo que muchos piensan».
Este cambio no solo beneficiará al planeta, sino también a la economía global, al reducir riesgos de suministro y abrir nuevas oportunidades de innovación. La revolución de los motores sin tierras raras ha comenzado, y su impacto será profundo y duradero.
Autores: Vandana Rallabandi, Burak Ozpineci, Praveen Kumar
Afiliación: Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL), Tennessee, EE.UU.
Revista: IEEE SPECTRUM
Fecha de publicación: agosto de 2024
DOI: 10.1109/SPECTRUM.2024.3387654