Zasilanie zielonej gospodarki: poszukiwanie magnesów bez pierwiastków ziem rzadkich – Świat Fizyki

Magnesy być może nie przykuwają uwagi większości ludzi, ale są niezbędne dla rozwijającej się „zielonej gospodarki”, stanowiąc serce silników pojazdów elektrycznych i generatorów w turbinach wiatrowych. Zapotrzebowanie rośnie szczególnie na mocne magnesy trwałe wykonane ze stopów "rzadkie elementy ziemi. Jednak w obliczu niepewności co do ciągłych dostaw pierwiastków ziem rzadkich trwają poszukiwania alternatywnych magnesów, które będą równie skuteczne, ale będą w całości wykonane z innych pierwiastków.

Jeśli zapomniałeś o swojej chemii, pierwiastki ziem rzadkich składają się z lantanowce, które znajdują się w długiej poziomej części okresowy, wraz z nielantanowcami, itrem i skandem grupa 3. Jeśli chodzi o magnesy, największym zainteresowaniem cieszą się neodym, samar i cer, a także „ciężkie” pierwiastki ziem rzadkich – dysproz, terb i iterb. Najsilniejszymi i najczęściej używanymi magnesami trwałymi są jednak stopy neodymu, żelaza i kobaltu (NdFeB) i samar-kobalt (SmCo).

Pierwiastki ziem rzadkich występują stosunkowo powszechnie i wiadomo, że zawierają je ponad 160 minerałów. Problem w tym, że występują one w tak małych stężeniach, że wydobywa się tylko cztery minerały w celu uzyskania pierwiastków ziem rzadkich, a wydobycie pozostałych jest zbyt kosztowne. Bastnäsite jest głównym źródłem pierwiastków ziem rzadkich – odpowiadającym za 94% dostaw – i głównym źródłem magnesów neodymowych na świecie. Gliny laterytoweTymczasem są głównym komercyjnym źródłem ciężkich pierwiastków ziem rzadkich.

Oddzielanie i rafinacja pierwiastków ziem rzadkich jest również trudne, ponieważ są one bardzo podobne pod względem chemicznym. Jest to również kosztowne dla środowiska, chociaż nie powstrzymuje to rosnącego popytu na magnesy trwałe. Raport z Magnetics & Materials sugeruje, że do 2030 r. świat będzie potrzebował o 55,000 29.3 ton magnesów neodymowych więcej, niż będzie prawdopodobnie dostępnych. Rzeczywiście, według szacunków ogólny rynek magnesów, który w 2021 r. był wart 6 dolarów, będzie rósł o prawie 2030% rocznie do XNUMX r. – wynika z najnowszej analizy przeprowadzonej przez Grand View Research.

Rośnie również zapotrzebowanie na magnesy SmCo pomimo obaw etycznych i środowiskowych związanych ze sposobem wydobywania kobaltu w Demokratycznej Republice Konga, która posiada największe na świecie zasoby tego pierwiastka (większość samaru pochodzi z Chin). A nowy raport Amnesty Internationalna przykład twierdzi, że rozwój wydobycia kobaltu i miedzi w kraju doprowadził do przymusowej eksmisji społeczności oraz łamania praw człowieka, „w tym napaści na tle seksualnym, podpaleń i pobić”.

Na konferencji omówiono wiele wyzwań związanych ze znalezieniem i wytwarzaniem magnesów niebędących pierwiastkami ziem rzadkich Konferencja REPM23 odbyła się we wrześniu na Uniwersytecie w Birmingham w Wielkiej Brytanii. W spotkaniu, oficjalnie znanym jako 27. Międzynarodowe warsztaty na temat ziem rzadkich i przyszłych magnesów trwałych oraz ich zastosowań, uczestniczyli wielcy i dobrzy przedstawiciele środowisk akademickich i przemysłowych z całego świata. Jak odkryłem, w tej dziedzinie prowadzonych jest mnóstwo ekscytujących i ważnych badań oraz technologii.

Szukam wydajności

Z fizycznego punktu widzenia piękno magnesów trwałych polega na tym, że magazynują dużo energii, co pozwala na budowanie z nich małych i bardzo wydajnych urządzeń. Ogólnie rzecz biorąc, im wyższa wydajność magnesu, tym wyższa sprawność silnika. Mimo że magnesy o wysokiej wydajności są drogie, warto je ponieść, ponieważ mniej pieniędzy trzeba wydać na inne części systemu, w którym są używane. Na przykład bardziej wydajny silnik oznacza, że ​​kosztowny akumulator w pojeździe elektrycznym nie musi być aż tak duży.

Dlatego też ogólna wydajność magnesu trwałego jest kluczowa, a kluczową zaletą jest ilość energii, którą można zmagazynować w materiale. Znany jako „produkt maksymalnie energetyczny”lub BH_max, wynosi około 38 kJ/m³ dla ferrytu (BaFeO), który jest najtańszym materiałem magnetycznym i kosztuje około 3–6 dolarów za kilogram. Ale w przypadku magnesów neodymowych o wysokiej wydajności, które kosztują około 40–80 dolarów za kilogram, BH_max jest znacznie większe 410 kJ/m³.

Ale bycie tanim i posiadanie produktu wysokoenergetycznego to nie wszystko. Firmy projektujące silniki lub generatory również chcą magnesu, który może generować duże pole magnetyczne (tj. o dużym „remanencja”). Ponadto magnes musi mieć wysoki poziom „przymus”, co zasadniczo jest miarą ilości energii potrzebnej do jego rozmagnesowania. Koercja zależy od sposobu wykonania magnesu, a kluczowymi czynnikami są wielkość kryształów oraz liczba i ilość dodatków zastosowanych do wzmocnienia materiału. Jeśli koercja jest zbyt niska, magnes straci swoją energię, rozmagnesuje się i sprawi, że silnik lub generator stanie się bezużyteczny.

Kolejnym istotnym czynnikiem jest magnes Temperatura Curie (T_c), powyżej którego traci się jego magnetyzm. Magnesy neodymowe mają stosunkowo niską T_c około 210 ^oC, co jest wystarczające w większości zastosowań. Ale samar-kobalt ma T_c do 800 ^oC, dzięki czemu magnesy te doskonale nadają się do sportów motorowych i innych zastosowań, w których powszechne są wysokie temperatury. AlNiCo – stop aluminium, niklu i kobaltu – jest jedynym głównym materiałem o T_c wyższy niż samar-kobalt (1000 ^oC) i BH_max lepszy od ferrytu (przy 310 kJ/m³), ale jego koercja jest tak słaba, że ​​ma ograniczone zastosowanie, zwłaszcza teraz, gdy istnieją magnesy o wyższej koercji.

Magnesy, magnesy, magnesy: będziemy ich potrzebować dużo dla zielonej gospodarki

Dlatego też przedstawiciele społeczności magnesów od dawna poszukiwali magnesu, który pod względem ceny i wydajności plasowałby się pomiędzy ferrytem a neodymem. Każdy chciałby supertani magnes, który ma lepsze właściwości niż neodym, ale obecnie nie ma takich „boskich” materiałów – niektórzy twierdzą, że nigdy nie będą. Mimo to za każdym razem, gdy cena neodymu rośnie, następuje odrodzenie zainteresowania nowymi magnesami. Prawdę mówiąc, byłem zszokowany, gdy na spotkaniu w Birmingham dowiedziałem się, ile potencjalnych materiałów magnetycznych jest w przygotowaniu.

Przynajmniej dla mnie wydaje się, że wyzwaniem nie jest tworzenie nowych materiałów per se. Trudna jest optymalizacja materiału i procesu produkcyjnego, co może dosłownie zająć dziesięciolecia. Jako japoński naukowiec Masato Sagawy – wynalazca magnesów neodymowych – zauważył na sesji plenarnej otwierającej w REPM, potrzeba było 40 lat heroicznego wysiłku, aby te materiały osiągnęły swój obecny poziom BH_max, co stanowi około 90% jego teoretycznej wartości maksymalnej, oraz aby osiągnąć wysoką koercję i wysoką wydajność.

Kwestia wyboru

Tańszą alternatywą dla neodymu jest cer, który jest jednocześnie wydobywany i rafinowany. Mógłby częściowo zastąpić neodym w magnesach NdFeB, zmniejszając koszty, ale powodując spadek wydajności. Istnieją jednak inne obiecujące typy magnesów, które są znacznie mniej zanieczyszczające i nie wykorzystują w ogóle pierwiastków ziem rzadkich. Jeśli uda nam się to uruchomić, naprawdę zamienilibyśmy metale nieszlachetne we współczesne „zielone złoto”.

Wydaje się, że jest to jeden z najbardziej obiecujących i dobrze wspieranych rozwiązań azotek żelaza (Bagnisko). Oparty na zaledwie dwóch materiałach – żelazie i azocie – które są tanie i dostępne w dużych ilościach, ma BH_max wynoszącej 1150 kJ/m³ oraz T_c lub 540 ^oC. Firmy lubią Niron w Kalifornii już znacząco inwestują w tym obszarze, zatrudniając dużą i rosnącą liczbę naukowców zajmujących się materiałami w celu udoskonalenia właściwości i produkcji.

Innym konkurentem jest węgiel manganowo-glinowy (MnAlC), który pierwotnie wprowadzono na rynek w latach 1980. XX wieku, zanim został porzucony wraz z pojawieniem się magnesów neodymowych. Fizycy materiałów z Sheffield University, kierowani przez Elizabeth Davis-Fowell, nawet niedawno wykazały, że MnAlGa, który zastępuje węgiel w MnAlC galem, mógłby być jeszcze lepszy.

Potem jest tetrataenit – materiał magnetyczny występujący w meteorytach. Zawiera żelazo i nikiel (FeNi) w tetragonalnej strukturze kryształu. Powstaje w naturze po niewiarygodnie powolnym ochłodzeniu w temperaturze zaledwie kilku stopni na przestrzeni milionów lat. Z teorią BH_max wynoszącej 335 kJ/m³, wygląda obiecująco, zwłaszcza że żelazo i nikiel są tak tanie. W 2022 r badacze z Wielkiej Brytanii i Austrii wyprodukował go po raz pierwszy tutaj na Ziemi, dodając fosfor (Adw.Sci. 10 2204315). Co więcej, wytworzyli tetrataenit w zaledwie kilka sekund – od 11 do 15 rzędów wielkości szybciej niż w naturze. Nie jest jasne, jaką siłę przymusu można by osiągnąć, a prace nad tym materiałem to dopiero początek.

Jeśli poradzisz sobie z tańszym pierwiastkiem ziem rzadkich, wówczas SmFeN, który składa się z samaru, żelaza i azotu, jest dobrze sprawdzonym układem materiałowym i zapewnia doskonałą koercję. Nichia – japońskiej firmy, której nie należy lekceważyć – jest już pracuje nad tą technologią. Samar jest znacznie tańszy i cieszy się mniejszym popytem niż neodym, więc może być dobrą alternatywą.

Atrakcyjna przyszłość

Nie jest jasne, który z tych materiałów się sprawdzi – jest jednak wiele innych, o których nie wspomniałem. Wydaje się, że w krótkiej perspektywie – mniej więcej w ciągu najbliższych pięciu lat – magnesy neodymowe będą nadal dominować na rynku, przy czym cer będzie wypełniał lukę od góry, a ferryty od dołu. Po prostu nic nie jest w stanie podważyć dominacji neodymu.

Rzeczywiście, mamy obfite zasoby pierwiastków ziem rzadkich: szacunki wskazują, że na planecie znajduje się osiem milionów ton neodymu, szeroko rozpowszechnionych na całym świecie, z dużymi złożami gospodarczymi w Wietnamie, Rosji, Indiach, Australii i Europie. Problem jednak w tym Chiny mają 80–90% udziału w rynku (dokładna liczba zależy od tego, jak spojrzeć na łańcuch dostaw), a dostawy i kontrola budzą poważne pytania geopolityczne. Co się stanie, jeśli na przykład kiedykolwiek zostaną wprowadzone cła lub produkty zawierające magnesy z Chin zostaną pewnego dnia zakazane w sprzedaży?

Kwestie te cieszą się oczywiście dużym zainteresowaniem firm produkujących silniki i generatory, co jest jednym z powodów, dla których Stany Zjednoczone przywracają swoje możliwości w zakresie magnesów ziem rzadkich. Firma z siedzibą w Las Vegas Materiały MPna przykład buduje nowy zakład przetwórczy dla materiałów z magnesami trwałymi na Kopalnia przełęczy, które leży w Kalifornii, niedaleko granicy z Nevadą. Moim zdaniem, jeśli Stanom Zjednoczonym uda się w pełni przywrócić własną produkcję tego materiału, obawy dotyczące dostaw całkowicie znikną.

Jednak w dłuższej perspektywie najbardziej obiecującą alternatywą są „twarde” ferryty, które są magnesem znacznie bardziej przyjaznym dla środowiska i mają tę piękność, że są dostępne tu i teraz. Tak przynajmniej wydawało się być konsensusem osób, z którymi rozmawiałem na spotkaniu w Birmingham z producentem materiałów Proterial (wcześniej znana jako Hitachi Metals), która zbudowała już elektrownię o mocy 100 kW prototypowy silnik z magnesem ferrytowym który jest odpowiedni dla pojazdów elektrycznych.

Istnieje również kusząca perspektywa, że ​​być może magnesy do silników nie będą nam nawet potrzebne. Do niedawna powszechnie zakładano, że silniki z magnesem trwałym są o około 10% bardziej wydajne niż konstrukcje konwencjonalne. Jednak rozwój energoelektroniki i postęp w projektowaniu silników „indukcyjnych”, które w ogóle nie mają magnesów, wypełniły tę lukę. W rzeczywistości niektóre silniki indukcyjne dorównują silnikom z magnesami trwałymi i chociaż są duże i ciężkie, kto wie, jakie postępy ich czekają.

Oto dlaczego Master Plan 3 Tesli ma ogromny sens dla zrównoważonej przyszłości

W międzyczasie te same postępy w konstrukcji silników i elektronice oznaczają, że można zastosować tańsze i słabsze materiały magnetyczne. Na spotkaniu w Birmingham wszyscy mówili o najnowszym planie generalnym wydany na początku tego roku przez Tesla Motors, która rozważała całkowite wyeliminowanie pierwiastków ziem rzadkich ze swoich przyszłych silników z magnesami trwałymi. Jednakże na razie, dzięki postępowi w projektowaniu silników i generatorów, powiedziałbym, że twarde ferryty są najbardziej obiecującą alternatywą dla magnesów ziem rzadkich.

Jednak świat całkowicie wolny od pierwiastków ziem rzadkich jest wciąż odległy.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Platon Zdrowie. Inteligencja w zakresie biotechnologii i badań klinicznych. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/powering-the-green-economy-the-quest-for-magnets-without-rare-earths/