테슬라의 자석 미스터리는 일론 머스크가 타협 할 의향이 있음을 보여준다.

이 전기차 제조업체는 차량의 모터에서 희토류를 제거할 것이라고 밝히면서 테슬라 엔지니어들이 창의력을 발휘해야 할 것이라고 말했다.

 

테슬라 Model Y의 전륜 구동용 158kw 전기 모터. PHOTOGRAPH: PATRICK PLEUL/GETTY IMAGES

지난달, 생방송으로 진행된 Tesla 투자자 행사에서 신차 소개는 거의 없고 거창한 이야기로 가득 찬 가운데, 일론 머스크의 "마스터플랜 파트 3"에 포함된 한 가지 작은 내용이 물리학의 생소한 분야에서 큰 뉴스를 만들었습니다. 테슬라의 파워트레인 사업부 임원인 콜린 캠벨은 공급망 문제와 희토류 자석 생산의 유해성을 이유로 모터에서 희토류 자석을 퇴출한다고 발표했습니다.

이 점을 강조하기 위해 Campbell은 희토류 1, 2, 3이라고 표시된 세 가지 미지의 물질을 언급하는 두 개의 슬라이드를 클릭했습니다. 첫 번째 슬라이드에는 테슬라의 현재를 나타내는 희토류의 양이 0.5킬로그램에서 10그램까지 표시되어 있습니다. 그다음 슬라이드에서는 특정되지 않은 미래 시점의 테슬라의 희토류 양이 모두 0으로 설정되어 있었습니다.

현재 모델 Y 모터 자석의 희토류 사용량

미래 테슬라 모터 자석의 희토류 사용량

전자의 움직임으로 인해 일부 물질이 발휘하는 기묘한 힘을 연구하고 때로는 수수께끼 같은 손짓을 사용하는 자기학자들에게 희토류 1의 정체는 네오디뮴이라는 것이 분명했습니다. 네오디뮴은 철이나 붕소와 같은 친숙한 원소에 첨가하면 강력한 자기장을 만들어낼 수 있습니다. 

하지만 이러한 특성을 가진 물질은 거의 없습니다. 그리고 4,500파운드의 테슬라를 움직일 수 있을 만큼 강력한 자기장을 생성하는 물질은 더 적고, 산업용 로봇부터 전투기에 이르기까지 수많은 다른 물질도 마찬가지입니다. 테슬라가 모터에서 네오디뮴과 기타 희토류를 제거할 계획이라면 어떤 종류의 자석을 대신 사용할까요?

물리학자들에게는 한 가지 분명한 사실이 있었습니다. 테슬라는 근본적으로 새로운 자석 소재를 발명하지 못했다는 사실입니다. "새로운 상업용 자석은 1세기에 몇 번 나올까 말까 한 일입니다."라고 몇 안 되는 스타트업 중 하나인 니론 마그네틱스의 전략 담당 부사장인 앤디 블랙번이 말했습니다.

블랙번과 다른 플럭스 책임자들은 테슬라가 훨씬 약한 자석을 사용할 수 있다고 판단했을 가능성이 더 높다고 생각했습니다. 코발트처럼 비싸고 지정학적으로 위험한 원소를 포함하는 몇 가지 가능한 후보 중에서 가장 확실한 후보는 철과 산소로 이루어진 세라믹에 스트론튬과 같은 금속을 약간 섞은 페라이트였습니다. 저렴하고 쉽게 만들 수 있는 페라이트는 1950년대부터 모든 곳의 냉장고 문을 잠그는 데 사용되었습니다.

그러나 페라이트는 부피 기준으로 네오디뮴 자석의 약 10분의 1에 불과한 자성을 지니고 있어 새로운 의문을 제기합니다. 테슬라의 CEO 일론 머스크는 타협하지 않는 것으로 유명하지만, 테슬라가 페라이트로 전환한다면 무언가를 포기해야 할 것 같습니다. 

전기차를 움직이는 것은 배터리라고 생각하기 쉽지만, 사실 전기차를 움직이는 것은 전자기입니다. 테슬라라는 회사와 자기의 단위인 테슬라가 같은 사람의 이름을 딴 것은 우연이 아닙니다. 전자가 모터의 와이어 코일을 통해 흐르면 반대 자기력에 밀리는 전자기장이 생성되어 모터의 축을 회전시키고 바퀴를 돌리게 합니다.

테슬라의 뒷바퀴는 원자 주위의 전자가 잘 조율된 스핀 덕분에 전기 입력 없이도 일정한 자기장을 유지하는 독특한 특성을 가진 영구 자석이 장착된 모터를 통해 구동력을 얻습니다. 테슬라는 배터리를 업그레이드하지 않고도 더 많은 거리를 주행하고 토크를 높이기 위해 약 5년 전부터 이 자석을 자동차에 추가하기 시작했습니다. 

그전에는 전류를 소비하여 자성을 띠는 전자석 주위에 구축된 유도 모터를 사용했습니다. 이 모터는 여전히 프런트 모터가 있는 모델에 사용되고 있습니다.

그래서 희토류를 없애고 최고의 자석을 사용하는 것이 조금 이상하게 보일 수도 있습니다. 자동차 회사들은 일반적으로 효율성에 집착하는데, 특히 전기차의 경우 주행 거리 부족에 대한 운전자들의 두려움을 극복하기 위한 노력을 계속하고 있습니다. 

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하지만 자동차 제조업체들이 전기차 생산량을 늘리기 시작하면서 과거에는 너무 비효율적이라고 여겨졌던 일부 엔지니어링이 다시 주목받고 있습니다.

이러한 현상은 테슬라를 비롯한 자동차 제조업체들이 리튬인산철(LFP)로 만든 배터리를 장착한 차량을 더 많이 생산하는 데서도 볼 수 있습니다. 이러한 배터리는 코발트나 니켈과 같은 원소가 포함된 배터리를 사용하는 모델보다 낮은 주행 거리를 제공하는 경향이 있습니다. 오래된 기술이고 더 무겁고 에너지도 더 적습니다. 

현재 LFP로 구동되는 Model 3의 주행 가능 거리는 272마일이며, 더 좋은 배터리를 장착한 장거리 Model S는 400마일이 넘을 수도 있습니다. 하지만 비싸고 정치적으로 위험한 자재를 취급하지 않기 때문에 더 현명한 비즈니스 선택이 될 수 있습니다.

하지만 테슬라가 다른 변화 없이 단순히 자석을 페라이트와 같은 훨씬 더 좋지 않은 것으로 교체할 가능성은 낮습니다. 웁살라 대학교의 물리학자 알레나 비시나는 "자동차에 거대한 자석을 싣고 다니게 될 것"이라고 말했습니다. 다행히도 모터는 이론적으로 약한 자석을 사용할 때 발생하는 불이익을 줄이기 위해 다른 많은 부품을 재배치할 수 있는 상당히 복잡한 기계입니다. 

재료 회사인 Proterial은 최근 컴퓨터 모델에서 페라이트 자석을 신중하게 배치하고 모터 설계의 다른 측면을 조정함으로써 희토류 구동 모터의 많은 성능을 재현할 수 있다고 판단했습니다. 결과적으로 모터의 무게가 30퍼센트 정도만 무거워졌으며, 이는 자동차의 전체 중량에 비하면 작은 차이일 수 있습니다.

이러한 골칫거리에도 불구하고 자동차 회사가 희토류 원소를 제거할 수 있는 능력이 충분하다면 이를 제거해야 할 이유는 많습니다. 1990년대 초 중국의 지도자 덩샤오핑이 희토류가 사우디의 석유와 동등한 자원이라고 선언한 이후, 희토류는 환태평양의 지정학적 불안을 상징하는 일종의 유행어처럼 사용되어 왔습니다. 

희토류는 석유와 달리 전체 시장 규모가 미국의 달걀 시장 규모와 비슷하며, 이론적으로 전 세계에서 채굴, 가공, 자석으로 전환할 수 있는 원소라는 사실을 잊지 마시기 바랍니다. 하지만 이 모든 것을 할 수 있는 곳은 중국뿐입니다.

중국이 거의 독점하다시피 한 것은 1990년대에 값싼 중국산 희토류가 시장에 넘쳐나면서 미국 등의 광산과 가공업체가 문을 닫게 된 경제적인 이유도 있지만, 환경 문제 때문이기도 합니다. 

희토류의 채굴과 정제는 독성이 강한 것으로 악명이 높은데, 그 이유는 자성을 높이는 네오디뮴과 같은 가장 가치 있는 원소가 우라늄과 토륨과 같은 방사성 원소뿐만 아니라 다른 희토류와도 밀접하게 연결되어 있기 때문입니다. 오늘날 중국은 전 세계에서 채굴되는 희토류의 거의 3분의 2를 생산하며 전 세계 자석의 90% 이상을 가공합니다.

네오디뮴 철 붕소 자석 재료. (Photo by Bloomberg)

"100억 달러 규모의 산업에서 연간 2조~3조 달러의 가치가 있는 제품을 생산할 수 있습니다. 이는 엄청난 영향력입니다."라고 광물 분석가이자 인기 있는 희토류 관찰자 블로그의 저자 토마스 크루머는 말합니다. 자동차에도 희토류가 몇 킬로그램만 포함되어 있어도 마찬가지라고 그는 말합니다. 희토류를 제거하면 모터 전체를 다시 설계하지 않는 한 자동차가 작동하지 않습니다.

미국과 유럽은 공급망을 다각화하기 위해 노력하고 있습니다. 2000년대 초에 문을 닫았던 캘리포니아의 한 광산이 최근 다시 문을 열면서 전 세계 희토류의 15%를 공급하고 있지만, 이 광석은 가공을 위해 중국으로 운송되고 있습니다. 

미국의 정부 기관, 특히 항공기와 인공위성을 비롯한 장비에 강력한 자석을 필요로 하는 국방부는 국내 및 일본과 유럽과 같은 우호적인 지역의 공급망에 투자하는 데 열중하고 있습니다. 한편 에너지부는 해조류를 사용하여 바닷물에서 희토류를 격리하는 방법을 모색하고 있습니다. 그러나 비용, 필요한 노하우, 환경 문제 등을 고려할 때 수년 또는 수십 년이 걸릴 수도 있습니다.

한편, 자동차나 풍력 터빈과 같은 탈탄소화 도구에 내장된 자석에 대한 수요도 증가하고 있습니다. Adamas Intelligence에 따르면 현재 희토류의 12%가 전기차에 사용되고 있으며, 이 시장은 이제 막 성장하고 있습니다. 동시에 희토류 가격은 최근 중국 내부 시장과 외부 기업의 예측이 불가능한 정치적 개입으로 인해 급등락을 거듭하고 있습니다. 

텍사스 대학교 오스틴 캠퍼스에서 자성 물질을 연구하는 물리학자 짐 첼리코프스키는 대체재를 만들 수 있는 비즈니스에 종사하고 있다면 그렇게 하는 것이 합리적일 것이라고 말합니다. 하지만 페라이트보다 더 나은 희토류 자석 대안을 찾아야 하는 이유는 여러 가지가 있다고 그는 말합니다. 문제는 세 가지 필수 특성을 갖춘 소재를 찾는 것입니다. 자성을 띠고, 다른 자기장이 있을 때에도 자성을 유지하며, 고온을 견딜 수 있어야 합니다. 뜨거운 자석은 더 이상 자석이 아닙니다.

연구자들은 어떤 화학 원소가 좋은 자석을 만들 수 있는지 꽤 잘 알고 있지만, 수백만 가지의 잠재적인 원자 배열이 있습니다. 일부 자석 연구자들은 수십만 가지의 가능한 물질로 시작하여 희토류 함유와 같은 단점이 있는 물질은 버린 다음 머신 러닝을 사용하여 남은 물질의 자성을 예측하는 접근 방식을 취했습니다. 

작년 말, 첼리코프스키는 이 시스템을 사용하여 코발트가 포함된 새로운 고자성 물질을 만든 결과를 발표했습니다. 지정학적으로 볼 때 이상적이지는 않지만, 이는 출발점이라고 그는 말합니다.

종종 가장 큰 도전은 쉽게 만들 수 있는 새로운 자석을 찾는 것입니다. 웁살라 대학의 비시나는 망간을 함유한 자석과 같이 새로 개발된 자석 중 일부는 유망하지만 불안정하기도 하다고 설명합니다. 과학자들은 자성이 매우 강하지만 대량으로 만들 수 없는 물질이 있다는 것을 알고 있습니다. 

운석에서만 발견되는 니켈-철 화합물인 테트라테나이트는 수천 년에 걸쳐 천천히 식혀야 원자를 정확한 상태로 정밀하게 배열할 수 있는 물질입니다. 실험실에서 더 빠르게 만들려는 시도가 계속되고 있지만 아직 결실을 맺지는 못했습니다.

자석 스타트업인 Niron은 이론적으로 네오디뮴보다 자성이 강한 질화철 자석을 개발하여 조금 더 앞서 나가고 있습니다. 그러나 이 역시 변덕스러운 재료로 원하는 형태로 만들고 보존하기가 어렵습니다. 블랙번은 이 회사가 진전을 보이고 있지만 테슬라의 차세대 차량에 맞춰 전기차를 혁신할 만큼 강력한 자석을 생산하지는 못할 것이라고 말합니다. 그는 첫 번째 단계는 사운드 시스템과 같은 소형 장치에 새로운 자석을 넣는 것이라고 말합니다.

크루머는 다른 자동차 제조업체들이 테슬라의 희토류 절충안을 따를지 여부는 불투명하다고 말합니다. 어떤 업체는 희토류를 계속 사용할 수도 있고, 어떤 업체는 유도 모터를 사용하거나 새로운 것을 시도할 수도 있습니다. 심지어 테슬라도 향후 출시될 차량에 자동 창문, 파워 스티어링, 앞 유리 와이퍼 등에 희토류 성분을 몇 그램씩 넣을 것이라고 그는 말합니다. 

실제로 테슬라의 투자자 행사에서 희토류 함량을 대조한 슬라이드는 현재 세대의 자동차 전체와 미래형 자동차를 비교한 것입니다. Tesla에서 진행 중인 것과 같은 해결 방법에도 불구하고, 전 세계가 탈탄소화를 추진하는 한 중국에서 공급되는 희토류 자석은 Elon Musk를 포함한 우리 곁에 계속 남아있을 것입니다. 모든 것을 교체하면 좋겠지만 크루머의 말처럼 "그럴 시간이 부족하다"라고 말했습니다.

 

ref. https://www.wired.com/story/tesla-elon-musk-magnet-mystery/