Styrker den grønne økonomi: jagten på magneter uden sjældne jordarter – Physics World

Magneter er måske ikke noget, de fleste tænker på, men de er essentielle for den spirende "grønne økonomi", der ligger i hjertet af motorer til elektriske køretøjer og generatorer i vindmøller. Efterspørgslen er stigende, især efter de kraftige, permanente magneter fremstillet af legeringer af "sjældne jordarters" elementer. Men med usikkerhed om det fortsatte udbud af sjældne jordarter, søges der efter alternative magneter, der fungerer lige så godt, men er fuldstændig lavet af andre elementer.

Hvis du har glemt din kemi, består sjældne jordarters elementer af lanthanider, som er i den lange vandrette del af periodiske system, sammen med ikke-lanthaniderne yttrium og scandium in gruppe 3. Når det kommer til magneter, er neodym, samarium og cerium af størst interesse samt de "tunge" sjældne jordarter - dysprosium, terbium og ytterbium. De stærkeste og mest brugte permanente magneter er dog legeringer af neodym, jern og kobolt (NdFeB) og samarium kobolt (SmCo).

Sjældne jordarter er relativt rigelige, med over 160 mineraler kendt for at indeholde dem. Problemet er, at de forekommer i så små koncentrationer, at kun fire mineraler udvindes for deres sjældne jordarter, mens de andre er for dyre at genvinde. Bastnäsite er den vigtigste kilde til sjældne jordarter – tegner sig for 94% af forsyningen – og er verdens vigtigste kilde til neodymmagneter. Laterit ler, i mellemtiden, er den vigtigste kommercielle kilde til tunge sjældne jordarter.

Det er også vanskeligt at adskille og raffinere sjældne jordarter, fordi de kemisk er meget ens. Det er også miljømæssigt dyrt, selvom det ikke har stoppet efterspørgslen efter permanente magneter i at stige. En rapport fra Magnetics & Materials antyder, at i 2030 vil verden have brug for 55,000 flere tons neodymmagneter, end der sandsynligvis vil være tilgængelige. Faktisk er det overordnede magnetmarked, som var værd $29.3 i 2021, sat til at vokse med næsten 6% om året frem til 2030, ifølge en nylig analyse fra Grand View Research.

Efterspørgslen efter SmCo-magneter er også stigende på trods af etiske og miljømæssige bekymringer over, hvordan kobolt udvindes i Den Demokratiske Republik Congo, som har verdens største reserver af grundstoffet (det meste samarium kommer fra Kina). EN ny rapport fra Amnesty Internationalsiger for eksempel, at udvidelsen af ​​kobolt- og kobberminedrift i landet har ført til, at samfund er blevet tvangsfordrevet sammen med menneskerettighedskrænkelser "inklusive seksuelle overgreb, brandstiftelse og tæsk".

Mange af udfordringerne ved at finde og lave ikke-sjældne jordarters magneter blev diskuteret på REPM23 konference afholdt på University of Birmingham i Storbritannien i september. Mødet, der officielt er kendt som det 27. internationale værksted om sjældne jordarters og fremtidige permanente magneter og deres applikationer, bød på det store og det gode fra den akademiske verden og industrien fra hele verden. Som jeg opdagede, foregår der en enorm mængde spændende og vigtig forskning og teknologi på området.

Søger præstation

Fra et fysisk synspunkt er det smukke ved permanente magneter, at de lagrer masser af energi, hvilket gør det muligt at lave små og meget effektive enheder ud fra dem. Generelt gælder det, at jo højere magnetydelsen er, jo højere er motorens effektivitet. Så selvom højtydende magneter er dyre, er det de ekstra omkostninger værd, fordi der skal bruges færre penge på andre dele af systemet, hvor de bruges. En mere effektiv motor betyder for eksempel, at det dyre batteri i en elbil ikke behøver at være ret stort.

Den overordnede ydeevne af en permanent magnet er derfor afgørende, hvor nøgletallet for fortjeneste er den mængde energi, du kan lagre i materialet. Kendt som "maksimalt energiprodukt" eller BH_max, det er omkring 38 kJ/m³ for ferrit (BaFeO), som er det billigste magnetiske materiale til omkring 3-6 dollars pr. kilogram. Men for højtydende neodymmagneter, som koster omkring 40-80 USD pr. BH_max er en meget større 410 kJ/m³.

Men at være billig og have et højenergiprodukt er ikke alt. Virksomheder, der designer motorer eller generatorer, ønsker også en magnet, der kan generere et stort magnetfelt (dvs. med et stort "remanens"). Derudover skal magneten have en høj "tvang", som i bund og grund er et mål for, hvor meget energi der skal til for at afmagnetisere det. Koercitivitet afhænger af, hvordan en magnet er lavet, med nøglefaktorer, herunder størrelsen af ​​krystaller og antallet og mængden af ​​additiver, der bruges til at hærde materialet. Hvis koercitiviteten er for lav, vil magneten miste sin energi, afmagnetisere og gøre motoren eller generatoren ubrugelig.

En anden vigtig faktor er en magnets Curie temperatur (T_c), over hvilken dens magnetisme går tabt. Neodymium magneter har en relativt lav T_c omkring 210 ^oC, hvilket er fint til de fleste applikationer. Men samarium kobolt har en T_c på op til 800 ^oC, hvilket gør disse magneter gode til motorsport og andre applikationer, hvor høje temperaturer er almindelige. Alnico – en legering af aluminium, nikkel og kobolt – er det eneste mainstream-materiale med en T_c højere end samarium kobolt (1000 ^oC) og a BH_max bedre end ferrit (ved 310 kJ/m³), men dens koercitivitet er så ringe, at den er af begrænset brug, især nu hvor der findes magneter med højere koercivitet.

Magneter, magneter, magneter: Vi skal bruge mange af dem til en grøn økonomi

Folk i magnetmiljøet har derfor længe ledt efter en magnet, der ligger i afstanden mellem ferrit og neodym med hensyn til pris og ydeevne. Alle ville elske en superbillig magnet, der overgår neodym, men disse "gudslignende" materialer eksisterer ikke i øjeblikket - faktisk siger nogle, at de aldrig vil. Alligevel, hver gang prisen på neodym stiger, er der en genopblussen af ​​interessen for nye magneter. Faktisk var jeg chokeret over at høre på mødet i Birmingham, hvor mange potentielle magnetmaterialer, der er i gang.

For mig ser det i hvert fald ud til, at udfordringen ikke ligger i at lave nye materialer per se. Det, der er svært, er at optimere materialet og produktionsprocessen, hvilket bogstaveligt talt kan tage årtier. Som den japanske videnskabsmand Masato Sagawa – påpegede opfinderen af ​​neodymmagneter i åbningsplenum på REPM, det har taget 40 års heroisk indsats for disse materialer at nå deres nuværende BH_max, hvilket er omkring 90 % af dets teoretiske maksimale værdi, og for at opnå høj tvangsevne og høj ydeevne.

Et spørgsmål om valg

Et billigere alternativ til neodym er cerium, som graves op og raffineres på samme tid. Det kunne delvist erstatte neodym i NdFeB-magneter, hvilket reducerer omkostningerne, men med et fald i ydeevnen. Der er dog nogle andre lovende typer magneter, der er meget mindre forurenende og ikke bruger sjældne jordarter helt. Hvis vi kan få disse i gang, ville vi virkelig forvandle uædle metaller til nutidens "grønt guld".

En af de mest lovende og velunderbyggede ser ud til at være jernnitrid (FeN). Baseret på blot to materialer – jern og nitrogen – der er billige og rigeligt udbudte, har den en BH_max på 1150 kJ/m³ og en T_c af 540 ^oC. Virksomheder som Niron i Californien investerer allerede betydeligt i området og beskæftiger et stort og voksende antal materialeforskere til at finjustere dets egenskaber og produktion.

En anden udfordrer er mangan aluminium carbon (MnAlC), som oprindeligt blev kommercialiseret i 1980'erne, før det blev opgivet, da neodymmagneter kom til syne. Materialefysikere ved Sheffield University, ledet af Elizabeth Davis-Fowell, har endda for nylig vist, at MnAlGa, som erstatter kulstoffet i MnAlC med gallium, kunne være endnu bedre.

Så er der tetrataenit – et magnetisk materiale fundet i meteoritter. Indeholder jern og nikkel (FeNi) i en tetragonal krystalstruktur, det er dannet i naturen efter at være blevet afkølet utroligt langsomt ved blot et par grader over millioner af år. Med en teoretisk BH_max på 335 kJ/m³, det ser lovende ud, især da jern og nikkel er så billigt. I 2022 forskere i Storbritannien og Østrig fremstillede det for første gang her på Jorden ved at tilsætte fosfor (Adv.Sci. 10 2204315). Desuden lavede de tetrataenitten på få sekunder – mellem 11 og 15 størrelsesordener hurtigere end i naturen. Det er ikke klart, hvilken tvangskraft der kunne opnås, og det er tidlige dage for dette materiale.

Hvis du kan klare en billigere sjælden jordart, så er SmFeN, som består af samarium, jern og nitrogen, et velafprøvet materialesystem og tilbyder fremragende tvangsevne. Nichia – en japansk virksomhed, der ikke skal tages let på – er allerede forfølger denne teknologi. Samarium er meget billigere og mindre efterspurgt end neodym, så det kunne være et godt alternativ.

Attraktiv fremtid

Hvilket af disse materialer, der vil lykkes, er ikke klart – og der er mange andre, jeg ikke har nævnt. På kort sigt – i løbet af de næste fem år eller deromkring – vil neodymmagneter fortsætte med at dominere markedet, som det ser ud til, med cerium, der lukker hullet fra oven og ferriter nedefra. Intet synes ganske enkelt at kunne udfordre neodymets dominans.

Faktisk har vi rigelige reserver af sjældne jordarters elementer: skøn tyder på, at der er otte millioner tons neodym på planeten, der er vidt spredt rundt om i verden, med store økonomiske forekomster i Vietnam, Rusland, Indien, Australien og Europa. Problemet er dog det Kina har en markedsandel på 80-90%. (det nøjagtige tal afhænger af, hvordan man ser på forsyningskæden), og der er store geopolitiske spørgsmål om forsyning og kontrol. Hvad sker der for eksempel, hvis der nogensinde blev indført told, eller hvis produkter indeholdende magneter fra Kina en dag blev forbudt at sælge.

Sådanne problemer er naturligvis af stor bekymring for virksomheder, der fremstiller motorer og generatorer, hvilket er en af ​​grundene til, at USA har genoprettet sine muligheder inden for sjældne jordarters magneter. Det Las-Vegas-baserede firma MP-materialerbygger for eksempel et nyt forarbejdningsanlæg for permanent-magnet materialer ved Mountain Pass mine, som ligger i Californien, nær grænsen til Nevada. Min opfattelse er, at hvis det lykkes USA fuldt ud at genoprette sin egen produktion af dette materiale, vil bekymringen over udbuddet helt forsvinde.

På længere sigt er de mest lovende alternativer dog de "hårde" ferriter, som er en meget mere miljøvenlig magnet og har skønheden ved at være tilgængelige lige her, lige nu. Det så i det mindste ud til at være konsensus blandt de mennesker, jeg talte med på mødet i Birmingham, med materialeproducenten Proteriel (tidligere kendt som Hitachi Metals), der allerede har bygget en 100 kW prototype ferritmagnetmotor der er velegnet til elbiler.

Der er også den fristende udsigt, at vi måske ikke engang har brug for magneter til motorer. Indtil for nylig blev det generelt antaget, at permanente magnetiske motorer var omkring 10 % mere effektive end konventionelle designs. Men udviklingen inden for kraftelektronik og fremskridt i designet af "induktions"-motorer, som slet ikke har magneter, har lukket dette hul. Faktisk er nogle induktionsmotorer på niveau med dem med permanente magneter, og selv om de er store og tunge, hvem ved, hvilke fremskridt der venter.

Her er grunden til, at Teslas Master Plan 3 giver god mening for en bæredygtig fremtid

I mellemtiden betyder de samme fremskridt inden for motordesign og elektronik, at billigere, mindre kraftfulde magnetmaterialer kan bruges. På mødet i Birmingham talte alle om den seneste masterplan udgivet tidligere i år af Tesla Motors, som overvejede at eliminere sjældne jordarter helt fra sine fremtidige permanentmagnetmotorer. For øjeblikket er de hårde ferriter dog, ved hjælp af fremskridt inden for motor- og generatordesign, det mest lovende alternativ til sjældne jordarters magneter.

En verden helt fri for sjældne jordarter er dog stadig langt væk.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk dig selv. Adgang her.
• PlatoAiStream. Web3 intelligens. Viden forstærket. Adgang her.
• PlatoESG. Kulstof, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Affaldshåndtering. Adgang her.
• PlatoHealth. Bioteknologiske og kliniske forsøgs intelligens. Adgang her.
• Kilde: https://physicsworld.com/a/powering-the-green-economy-the-quest-for-magnets-without-rare-earths/