מניע את הכלכלה הירוקה: החיפוש אחר מגנטים ללא כדורי אדמה נדירים - עולם הפיזיקה

מגנטים אולי לא עולים בראשם של רוב האנשים, אבל הם חיוניים ל"כלכלה הירוקה" המתפתחת, שנמצאים בלב המנועים לרכבים חשמליים ולגנרטורים בטורבינות רוח. הביקוש עולה במיוחד למגנטים החזקים והקבועים העשויים מסגסוגות של אלמנטים של "אדמה נדירה".. אבל עם אי ודאות לגבי המשך היצע של כדורי אדמה נדירים, החיפוש נמשך אחר מגנטים חלופיים שפועלים גם כן, אך עשויים לחלוטין מאלמנטים אחרים.

במקרה ששכחת את הכימיה שלך, יסודות אדמה נדירים מורכבים מה לנתנידים, אשר נמצאים בחלק האופקי הארוך של ה טבלה מחזורית, יחד עם הלא-לנתאנידים איטריום וסקנדיום ב קבוצה 3. כשזה מגיע למגנטים, המעניינים ביותר הם ניאודימיום, סמריון וצריום וכן כדורי הארץ הנדירים ה"כבדים" - דיספרוזיום, טרביום ואיטרביום. עם זאת, המגנטים הקבועים החזקים והשימושיים ביותר הם סגסוגות של ניאודימיום, ברזל וקובלט (NdFeB) וקובלט סמריום (SmCo).

כדורי אדמה נדירים נמצאים בשפע יחסית, עם למעלה מ-160 מינרלים ידועים כמכילים אותם. הבעיה היא שהם מתרחשים בריכוזים זעירים כל כך שרק ארבעה מינרלים נכרים עבור כדור הארץ הנדירים שלהם, והאחרים יקרים מכדי לשחזר. Bastnäsite הוא המקור העיקרי של כדורי אדמה נדירים - המהווים 94% מהאספקה ​​- והוא המקור העיקרי בעולם למגנטים ניאודימיום. חימר לרייטבינתיים, הם המקור המסחרי העיקרי של אדמה נדירה כבדה.

הפרדה וזיקוק של כדורי אדמה נדירים גם היא קשה מכיוון שהם דומים מאוד מבחינה כימית. זה גם יקר מבחינה סביבתית, אם כי זה לא מנע מהביקוש למגנטים קבועים לעלות. דו"ח של Magnetics & Materials מציע שעד 2030 העולם יזדקק ל-55,000 טונות יותר של מגנטים ניאודימיום ממה שסביר שיהיה זמין. ואכן, שוק המגנטים הכולל, שהיה שווה 29.3 דולר ב-2021, אמור לצמוח בכמעט 6% בשנה עד 2030, לפי ניתוח עדכני מ-Grand View Research.

הביקוש למגנטים של SmCo עולה אף הוא, למרות חששות אתיים וסביבתיים לגבי האופן שבו מכורים קובלט ברפובליקה הדמוקרטית של קונגו, שבה יש את המאגרים הגדולים בעולם של היסוד (רוב הסמאריום מגיע מסין). א דו"ח חדש מאמנסטי אינטרנשיונל, למשל, אומר שהרחבת כריית הקובלט והנחושת במדינה הובילה לפינוי בכוח של קהילות יחד עם פגיעה בזכויות אדם "כולל תקיפה מינית, הצתות ומכות".

רבים מהאתגרים של מציאת וייצור מגנטים שאינם אדמה נדירים נדונו ב- כנס REPM23 התקיים באוניברסיטת ברמינגהם בבריטניה בספטמבר. המפגש הידוע רשמית בתור הסדנה הבינלאומית ה-27 בנושא מגנטים קבועים של כדור הארץ נדיר ועתיד ויישומיהם, הציג את הגדולים והטובים מהאקדמיה והתעשייה מרחבי העולם. כפי שגיליתי, יש כמות עצומה של מחקר וטכנולוגיה מרגשים וחשובים שמתרחשים בתחום.

מחפש ביצועים

מנקודת מבט פיזיקלית, היופי במגנטים הקבועים הוא שהם אוגרים המון אנרגיה, מה שמאפשר לייצר מהם מכשירים קטנים ויעילים במיוחד. באופן כללי, ככל שביצועי המגנט גבוהים יותר, כך יעילות המנוע גבוהה יותר. אז למרות שמגנטים בעלי ביצועים גבוהים הם יקרים, זה שווה את העלות הנוספת מכיוון שצריך להוציא פחות כסף על חלקים אחרים של המערכת שבהם הם נמצאים בשימוש. מנוע יעיל יותר, למשל, אומר שהמצבר היקר ברכב חשמלי לא צריך להיות כל כך גדול.

לכן הביצועים הכוללים של מגנט קבוע הם חיוניים, כאשר נתון המפתח של הכשרון הוא כמות האנרגיה שאתה יכול לאגור בחומר. ידוע כ "מוצר אנרגיה מקסימלי", או BH_{מקסימום}, הוא בערך 38 קילו ג'ל/מ"ר³ עבור פריט (BaFeO), שהוא החומר המגנטי הזול ביותר בכ-3-6 דולר לקילוגרם. אבל עבור מגנטים ניאודימיום בעלי ביצועים גבוהים, שעולים כ-40-80 דולר לק"ג, BH_{מקסימום} הוא הרבה יותר גדול 410 kJ/m³.

אבל להיות זול ומוצר בעל אנרגיה גבוהה זה לא הכל. חברות שמתכננות מנועים או גנרטורים רוצות גם מגנט שיכול ליצור שדה מגנטי גדול (כלומר עם מגנט גדול "הישארות"). בנוסף, המגנט צריך להיות בעל גבוה "כַּפיָנוּת", שהוא בעצם מדד לכמות האנרגיה הדרושה כדי לבטל אותו. הכפייה תלויה באופן שבו מגנט מיוצר, עם גורמי מפתח הכוללים את גודל הגבישים ומספר וכמות התוספים המשמשים להקשחת החומר. אם הכפייה נמוכה מדי, המגנט יאבד את האנרגיה שלו, יתבטל ויהפוך את המנוע או הגנרטור לחסרי תועלת.

גורם חיוני נוסף הוא של מגנט טמפרטורת קירי (T_c), שמעליו אבדה המגנטיות שלו. למגנטים ניאודימיום יש נמוך יחסית T_c של כ 210 ^oC, וזה בסדר עבור רוב היישומים. אבל לקובלט סמריום יש א T_c של עד 800 ^oC, מה שהופך את המגנטים הללו למעולים בספורט מוטורי ויישומים אחרים שבהם טמפרטורות גבוהות הן דבר שבשגרה. AlNiCo - סגסוגת של אלומיניום, ניקל וקובלט - הוא החומר המיינסטרים היחיד עם א T_c גבוה יותר מקובלט סמריום (1000 ^oג) וא BH_{מקסימום} טוב יותר מפריט (ב-310 קילו-ג'יי/מ'³), אבל הכפייה שלו כל כך גרועה שיש לה שימוש מוגבל, במיוחד עכשיו כשקיימים מגנטים בעלי כפייה גבוהה יותר.

מגנטים, מגנטים, מגנטים: נצטרך הרבה מהם לכלכלה ירוקה

אנשים בקהילת המגנטים מחפשים לכן מזמן מגנט שיושב בפער בין פריט לנאודימיום מבחינת מחיר וביצועים. כולם יאהבו מגנט סופר זול שעולה על ניאודימיום, אבל החומרים ה"דמויי אלוהים" האלה לא קיימים כרגע - למעשה, יש אומרים שלעולם לא יהיו. ובכל זאת, בכל פעם שמחיר הנאודימיום עולה, ישנה התעניינות מחודשת במגנטים חדשים. למעשה, הייתי המום לגלות בפגישת ברמינגהאם כמה חומרי מגנט פוטנציאליים נמצאים בהתמודדות.

לי לפחות, נראה שהאתגר הוא לא בהכנת חומרים חדשים הודעות. מה שקשה הוא אופטימיזציה של החומר ותהליך הייצור, שיכול להימשך ממש עשרות שנים. בתור המדען היפני מאסטו סגאווה – ציין הממציא של מגנטים ניאודימיום במליאת הפתיחה ב-REPM, נדרשו 40 שנה של מאמץ הרואי עד שהחומרים הללו הגיעו לזרם שלהם BH_{מקסימום}, המהווה כ-90% מהערך המקסימלי התיאורטי שלו, ולהשגת כפייה גבוהה וביצועים גבוהים.

עניין של בחירה

אלטרנטיבה זולה יותר לנאודימיום היא סריום, שנחפר ומשוכלל בו זמנית. זה יכול להחליף חלקית את הנאודימיום במגנטים של NdFeB, להפחית עלויות אך עם ירידה בביצועים. עם זאת, ישנם סוגים מבטיחים אחרים של מגנטים שהם הרבה פחות מזהמים ואינם משתמשים באדמה נדירה לחלוטין. אם נוכל להפעיל אותם, היינו באמת הופכים מתכות בסיסיות ל"זהב ירוק" של ימינו.

נראה שאחד המבטיחים והמגובים ביותר הוא ברזל ניטריד (בִּצָה). בהתבסס על שני חומרים בלבד - ברזל וחנקן - שהם זולים ונמצאים בשפע, יש לו א BH_{מקסימום} של 1150 קילו-ג'יי/מ'³ וכן T_c של 540 ^oג. חברות כמו נירון בקליפורניה כבר משקיעים באופן משמעותי באזור, ומעסיקים מספר גדול וגדל של מדעני חומרים כדי לכוונן את המאפיינים והייצור שלו.

מתחרה נוספת היא פחמן אלומיניום מנגן (MnAlC), אשר הופץ במקור בשנות ה-1980 של המאה ה-XNUMX, לפני שננטש כאשר מגנטים ניאודימיום הגיעו לידי ביטוי. פיזיקאים של חומרים באוניברסיטת שפילד, בראשות אליזבת דייויס-פאוול, יש אפילו לאחרונה הראה כי MnAlGa, שמחליף את הפחמן ב-MnAlC בגליום, יכול להיות טוב יותר.

ואז יש טטרטאניט – חומר מגנטי המצוי במטאוריטים. מכיל ברזל וניקל (FeNi) במבנה גבישי טטראגוני, הוא נוצר בטבע לאחר שהתקרר באיטיות מדהימה בכמה מעלות בלבד במשך מיליוני שנים. עם תיאורטי BH_{מקסימום} של 335 kJ/m³, זה נראה מבטיח במיוחד מכיוון שהברזל והניקל כל כך זולים. בשנת 2022 חוקרים בבריטניה ובאוסטריה יצרו אותו בפעם הראשונה כאן על כדור הארץ על ידי הוספת זרחן (Adv.Sci. 10 2204315). יתרה מכך, הם ייצרו את הטטרטאניט תוך שניות ספורות - בין 11 ל-15 סדרי גודל מהר יותר מאשר בטבע. לא ברור איזו כפייה אפשר להשיג וזה הימים הראשונים של החומר הזה.

אם אתה יכול להתמודד עם אדמה נדירה פחות יקרה, אז SmFeN, המורכב מסמריום, ברזל וחנקן, היא מערכת חומרים מוכחת היטב ומציעה כפייה מעולה. ניקיה – חברה יפנית שאין להקל בה ראש – היא כבר רודף טכנולוגיה זו. סמריום הוא הרבה יותר זול וביקוש פחות מאשר ניאודימיום אז יכול להיות חלופה טובה.

עתיד אטרקטיבי

לא ברור איזה מהחומרים הללו יצליח - ויש עוד רבים אחרים שלא הזכרתי. בטווח הקצר - במהלך חמש השנים הקרובות לערך - מגנטים ניאודימיום ימשיכו לשלוט בשוק, כך נראה, כאשר צריום יסגור את הפער מלמעלה והפריטים מלמטה. בפשטות, נראה ששום דבר לא יכול לערער את הדומיננטיות של הנאודימיום.

ואכן, יש לנו מאגרים רבים של יסודות כדור הארץ נדירים: ההערכות מצביעות על כך שיש שמונה מיליון טונות של ניאודימיום על פני כדור הארץ הפזורים ביותר ברחבי העולם, עם מרבצים כלכליים גדולים בוייטנאם, רוסיה, הודו, אוסטרליה ואירופה. אבל החשש הוא זה לסין יש נתח שוק של 80-90%. (הנתון המדויק תלוי איך אתה מסתכל על שרשרת האספקה) ויש שאלות גיאופוליטיות גדולות על אספקה ​​ובקרה. מה קורה, למשל, אם אי פעם הוכנסו מכסים או אם יום אחד נאסרו למכירה מוצרים המכילים מגנטים מסין.

נושאים כאלה מעוררים מטבע הדברים דאגה רבה לחברות המייצרות מנועים וגנרטורים, וזו אחת הסיבות לכך שארה"ב משחזרת את היכולות שלה במגנטי אדמה נדירים. החברה שבסיסה בלאס וגאס MP חומרים, למשל, בונה מתקן עיבוד חדש לחומרי מגנט קבוע ב- מכרה מעבר ההרים, השוכנת בקליפורניה, ליד הגבול עם נבאדה. דעתי היא שאם ארה"ב תצליח לשחזר באופן מלא את הייצור שלה של החומר הזה, החששות לגבי האספקה ​​ייעלמו לחלוטין.

עם זאת, לטווח ארוך יותר, האלטרנטיבות המבטיחות ביותר הן הפריטים ה"קשים", שהם מגנט הרבה יותר ידידותי לסביבה ויש להם את היופי של להיות זמינים כאן, ממש עכשיו. זה, לפחות, נראה הקונצנזוס של האנשים שדיברתי איתם בפגישת ברמינגהאם, עם יצרן החומרים פרוטריאלי (שנודע בעבר בשם Hitachi Metals) לאחר שכבר בנה 100 קילוואט אב טיפוס מנוע מגנט פריט שמתאים לרכבים חשמליים.

יש גם סיכוי מגרה שאולי אפילו לא נצטרך מגנטים למנועים. עד לאחרונה, נהוג היה להניח שמנועים מגנטיים קבועים היו יעילים יותר בכ-10% מעיצובים רגילים. אבל התפתחויות באלקטרוניקה כוח והתקדמות בתכנון של מנועי "אינדוקציה", שאין להם בכלל מגנטים, סגרו את הפער הזה. למעשה, כמה מנועי אינדוקציה עומדים בקנה אחד עם אלו עם מגנטים קבועים, ולמרות שהם גדולים וכבדים, מי יודע איזו התקדמות צפויה.

הנה הסיבה שתוכנית האב 3 של טסלה הגיונית מאוד לעתיד בר קיימא

בינתיים, אותן התקדמות בעיצוב המנוע והאלקטרוניקה מביאות לכך שניתן להשתמש בחומרי מגנט זולים יותר ופחות חזקים. בפגישת ברמינגהאם כולם דיברו על תוכנית האב האחרונה שהונפקה מוקדם יותר השנה על ידי טסלה מוטורס, ששקלה לחסל לחלוטין כדורי אדמה נדירים ממנועי המגנט הקבוע העתידי שלה. עם זאת, לעת עתה, בעזרת ההתקדמות בתכנון המנוע והגנרטור, הפריטים הקשים, הייתי אומר, הם האלטרנטיבה המבטיחה ביותר למגנטים נדירים של כדור הארץ.

עם זאת, עולם נקי לחלוטין מכדורי אדמה נדירים עדיין רחוק.

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• PlatoESG. פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
• PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/powering-the-green-economy-the-quest-for-magnets-without-rare-earths/