211service.com
Nye magneter kunne løse vores sjældne jordarters problemer
Stærkere, lettere magneter kan komme på markedet i de næste par år, hvilket gør mere effektive bilmotorer og vindmøller mulige. Forskere har brug for de nye materialer, fordi nutidens bedste magneter bruger sjældne jordarters metaller, hvis udbud bliver upålidelig, selvom efterspørgslen vokser.
Så forskere arbejder nu på nye typer nanostrukturerede magneter, der ville bruge mindre mængder sjældne jordarters metaller end standardmagneter. Der er mange forhindringer tilbage, men GE Global Research håber at demonstrere nye magnetmaterialer inden for de næste to år.
De stærkeste magneter er afhængige af en legering af sjældne jordarters metal neodym, der også inkluderer jern og bor. Magnetproducenter tilføjer nogle gange andre sjældne jordarters metaller, herunder dysprosium og terbium, til disse magneter for at forbedre deres egenskaber. Forsyning af alle tre af disse sjældne jordarter er i fare på grund af stigende efterspørgsel og muligheden for, at Kina, som producerer de fleste af dem, vil begrænse eksporten.
Det er dog ikke klart, om de nye magneter kommer på markedet, før efterspørgslen efter sjældne jordarters metaller overstiger udbuddet. Det amerikanske energiministerium regner med, at verdensomspændende produktion af neodymoxid, en nøgleingrediens i magneter, vil være på i alt 30.657 tons i 2015. I et af DOE's forventede scenarier vil efterspørgslen efter det metal være en smule højere end det tal i 2015. DOE's scenarier involverer nogle gætværk, men det mest konservative skøn har, at efterspørgslen efter neodym overstiger udbuddet omkring 2020.
Meget af historien om sjældne jordarter har fokuseret på Kina og minedrift, siger Steven Duclos, leder af materialebæredygtighed hos GE Global Research. Vi tror på, at teknologi kan spille en rolle i forhold til dette. DOE finansierer GE's magnetprojekt, og et ledet af forskere ved University of Delaware, gennem Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E)-programmet, som fremmer forskning i forstyrrende teknologi.
At komme med nye magnetmaterialer er ikke let, siger George Hadjipanayis , formand for afdelingen for fysik og astronomi ved University of Delaware. Hadjipanayis var involveret i udviklingen af neodymmagneter i 1980'erne, mens han arbejdede på Kollmorgen. På det tidspunkt var vi måske alle heldige, siger han om den indledende udvikling af neodymmagneter. Den måde, forskere lavede nye magneter på, var at krystallisere legeringer og lede efter nye former med bedre egenskaber. Denne tilgang vil ikke fungere fremover. Neodymmagnetens ydeevne er blevet plateau, siger Frank Johnson, der leder GE's magnetforskningsprogram. Hadjipanayis er enig. Håbet nu er nanokompositter, siger han.
Nanokompositmagnetmaterialer består af nanopartikler af de metaller, der findes i nutidens magnetiske legeringer. Disse kompositter har for eksempel neodymbaserede nanopartikler blandet med jernbaserede nanopartikler. Disse nanostrukturerede områder i magneten interagerer på en måde, der fører til større magnetiske egenskaber end dem, der findes i konventionelle magnetiske legeringer.
Fordelen ved nanokompositter til magneter er dobbelt: nanokompositter lover at være stærkere end andre magneter med lignende vægt, og de bør bruge mindre sjældne jordarters metaller. Det, der muliggør bedre magnetiske egenskaber i disse nanokompositter, er en egenskab kaldet udvekslingskobling. Fysikken er kompleks, men kobling mellem forskellige nanopartikler i kompositten fører til overordnede magnetiske egenskaber, der er større end summen af delene.
Udvekslingskobling kan ikke ske i rene magnetmaterialer, men opstår i kompositter lavet af blandinger af nanopartikler af de samme metaller, som bruges til at lave konventionelle magneter. Fordelen ved stærkere magneter er, at de maskiner, man sætter dem i, kan være mindre og lettere, siger Johnson.
GE vil ikke afsløre, hvilke materialer det bruger til at fremstille magneterne, eller hvad dets fremstillingsmetoder ville være, men Johnson siger, at virksomheden vil stole på teknikker, det har udviklet til at arbejde med andre metaller. Det største problem, virksomheden står over for, siger Johnson, er at opskalere produktionen til at lave store magneter - indtil videre har det kun været muligt at lave tynde film af nanokompositerne. Virksomheden har omkring 2,25 millioner dollars i finansiering fra ARPA-E.
Hadjipanayis rapporterer, at hans gruppe, et multi-institut konsortium, har modtaget næsten $4,5 millioner i ARPA-E-finansiering. Det er muligt at lave de nødvendige nanopartikler i små mængder i laboratoriet, men det vil være svært at opskalere. De er meget reaktive materialer, siger han.
Gruppen eksperimenterer med en lang række forskellige typer af nanopartikler, herunder kombinationer af neodym-baserede nanopartikler med jern-kobolt nanopartikler. En anden udfordring er at samle nanopartiklerne i en blanding, der sikrer, at de har nok kontakt med hinanden til at få udvekslingskobling. Det er et skridt ad gangen, siger Hadjipanayis.