211service.com
Kinas monopol på sjældne jordarter
I tre uger har Kina blokeret forsendelser af sjældne jordarters mineraler til Japan, et skridt, der har øget presserende indsats for at bryde Beijings kontrol over disse mineraler. Kina producerer nu næsten hele verdens forsyning af sjældne jordarter, som er afgørende for en lang række teknologier, herunder harddiske, solpaneler og motorer til hybridbiler.
Et attraktivt materiale: Neodymium (vist her) er et af de sjældne jordarters elementer, der er nøglen til at lave meget stærke magneter til kompakte elektriske motorer.
Som svar på Kinas dominans i produktionen udvikler forskere nye materialer, der enten kan erstatte sjældne jordarters mineraler eller mindske behovet for dem. Men materialer og teknologier vil sandsynligvis tage år at udvikle, og eksisterende alternativer kommer med afvejninger.
Kina blokerede tilsyneladende Japans forsendelser som svar på en territorial skænderi i Det Sydkinesiske Hav. Beijing har nægtet embargoen, men manglen på forsyning kan snart forstyrre produktionen i Japan, sagde handels- og industriminister Akihiro Ohata til journalister tirsdag.
Sjældne jordarter omfatter 17 grundstoffer, såsom terbium, som bruges til at fremstille grønne fosfor til fladskærms-tv'er, lasere og højeffektive lysstofrør. Et andet af disse elementer, neodym, er nøglen til de permanente magneter, der bruges til at lave højeffektive elektriske motorer. Selvom langt over 90 procent af mineralerne produceres i Kina, findes de mange steder rundt om i verden, og på trods af deres navn er de faktisk rigelige i jordskorpen (navnet er en tilbageholdelse fra en 19. århundredes konvention). I de senere år har lavpris kinesisk produktion og miljøhensyn fået leverandører uden for Kina til at lukke driften.
Der findes alternativer til sjældne jordarter for nogle teknologier. Et eksempel er den induktionsmotor, der bruges af Tesla Motors i sin helelektriske Roadster. Den bruger elektromagneter i stedet for permanente sjældne jordarters magneter. Men sådanne motorer er større og tungere end dem, der bruger sjældne jordarters magneter. Som tommelfingerregel kan en elektromagnetisk spole i små og mellemstore motorer erstattes med en sjælden jordart permanentmagnet på kun 10 procent af størrelsen, hvilket har været med til at gøre permanentmagnetmotorer til den foretrukne mulighed for Toyota og andre hybrider bilproducenter. I Teslas tilfælde var induktionsmotorteknologien et bytte værd, hvilket gav bilen højere maksimal effekt under flere forhold, en topprioritet for et køretøj, der kan raket fra nul til 60 mph på 3,7 sekunder. Omkostningsvolatiliteten i forbindelse med de sjældne jordarters permanente magneter var en bekymring, siger JB Straubel, Teslas teknologichef. Vi kunne ikke have forudset de geopolitiske spændinger.
Flere producenter følger Teslas føring for at undgå de sjældne jordarters materialer, selvom flytningen betyder at ofre plads og tilføje vægt til køretøjer. En uge efter Kina-støvningen begyndte, annoncerede et forskerhold i Japan, at det havde lavet en hybridbilmotor fri for sjældne jordarters materialer, og det har Hitachi bebudet lignende indsats . BMW's Mini E-elbil bruger induktionsmotorer, og Tesla leverer sine drivlinjer til Toyotas kommende elektriske RAV 4. I betragtning af flygtigheden af sjældne jordarters forsyninger og de fordele, induktionsmotorer tilbyder i højtydende applikationer, giver det mening for bilfirmaer at overveje seriøst at bruge induktionsmotorer, siger Wally Rippel, seniorforsker ved AC Propulsion. Rippel har tidligere arbejdet med induktionsmotordesign hos Tesla og GM, hvor han var med til at udvikle den banebrydende EV1.
Mens bilproducenter udforsker alternative motorer, forsøger forskere i USA og andre steder også at udtænke erstatninger for sjældne jordarters materialer, og politiske bestræbelser skrider frem for at øge forsyningerne af sjældne jordarter uden for Kina.
I USA har den kinesiske dominans af produktion af sjældne jordarters mineraler givet anledning til en bølge af finansiering fokuseret på at udvikle permanente magneter, der bruger færre, om overhovedet nogen, sjældne jordarters materialer, såsom næsten 7 millioner dollars fra Advanced Research Projects Agency for Energy ( ARPA-E). I et af disse projekter, University of Nebraska forskere arbejder at forbedre permanente magneter lavet med en legeret jern og kobolt, eller FeCo. Denne klasse af materialer sælges i dag, men leverer halvdelen eller mindre af kraften fra de bedste sjældne jordarters-baserede magneter. Nebraska-forskerne vil fokusere på måder at dope den strukturelle matrix af disse legeringer med spor af andre grundstoffer og derved omarrangere deres molekylære geometri for at skabe stærkere, mere holdbare permanente magnetiske materialer.
Ved at arbejde sammen med Nebraska-forskerne i det samme ARPA-E-program fremmer forskere ved University of Delaware nanokompositter, der bruger langt mindre af de værdifulde sjældne jordarters materialer, men som teoretisk har vist sig at generere magnetiske styrker dobbelt så kraftige som nutidens bedste permanente magneter. Laboratoriet blander partikler, kun 20 til 30 nanometer store, af sjældne jordarters magnetiske materialer med et ikke-sjældne jordarters komplement (tinkobolt). Tidligere bestræbelser på at fremstille dette materiale har ikke været i stand til præcist at justere nanopartiklerne, hvilket reducerer deres magnetiske ydeevne væsentligt. I stedet for at sammenkoge materialet i bulk, som at blande dej, udvikler holdet en proces til at kontrollere partiklernes justering ved at samle dem i almindelige arrays.
GE Global Research, i Niskayuna, New York, er forfølger nanokompositter svarende til dem, der udvikles i Delaware, også med ARPA-E-finansiering. Ved hjælp af internt udviklede metoder sigter projektet mod bygge nyt materiale gennem justering af nanopulvere. Disse materialer er i sig selv ustabile, så styring af deres samling er på grænsen til fremstillingsprocesser i nanoskala, siger Luana Iorio, en leder ved GE's High Temperature Alloys and Processing Laboratory, som leder forskningen. GE estimerer, at deres nanokompositter kan levere 35 procent større magnetisk styrke end nutidens bedste permanente magneter, mens de bruger 40 procent af de sjældne jordarter i volumen. Inden for to år, håber Iorio, vil projektet være i stand til at skabe prøver af det nye materiale på få centimeter i diameter.
Men da det kan tage år for disse bestræbelser at bære frugt, tiltrækker jagten på ikke-kinesiske kilder til mineralerne opmærksomhed på kort sigt. I Californien søger Molycorp Minerals at genåbne sjældne jordarters miner, der lukkede i 2002, midt i lave priser og miljøhensyn. I de seneste uger er der blevet fremsat lovforslag i det amerikanske hus og senatet med det formål at genoplive forsyningskæden for sjældne jordarter i USA, herunder minedrift, raffinering og fremstilling. Et tredje lovforslag, i Parlamentet, er snævrere og fokuserer på at tilbyde lånegarantier for at genstarte minedrift.