211service.com
Kinas sällsynta jordartsmonopol
I tre veckor har Kina blockerat transporter av sällsynta jordartsmetaller till Japan, ett drag som har ökat ansträngningarna att bryta Pekings kontroll över dessa mineraler. Kina producerar nu nästan hela världens utbud av sällsynta jordartsmetaller, som är avgörande för ett brett utbud av teknologier, inklusive hårddiskar, solpaneler och motorer för hybridfordon.
Ett attraktivt material: Neodym (visas här) är ett av de sällsynta jordartsmetallerna som är nyckeln till att göra mycket starka magneter för kompakta elmotorer.
Som svar på Kinas dominans i produktionen utvecklar forskare nya material som antingen kan ersätta sällsynta jordartsmetaller eller minska behovet av dem. Men material och teknik kommer sannolikt att ta år att utveckla, och befintliga alternativ kommer med kompromisser.
Kina blockerade tydligen Japans försändelser som svar på ett territoriellt bråk i Sydkinesiska havet. Peking har förnekat embargot, men bristen på utbud kan snart störa tillverkningen i Japan, sa handels- och industriminister Akihiro Ohata till reportrar på tisdagen.
Sällsynta jordartsmetaller inkluderar 17 grundämnen, som terbium, som används för att göra gröna fosforer för platt-TV, lasrar och högeffektiva lysrör. Ett annat av dessa element, neodym, är nyckeln till de permanentmagneter som används för att tillverka högeffektiva elmotorer. Även om mer än 90 procent av mineralerna produceras i Kina, finns de på många ställen runt om i världen, och trots deras namn finns de faktiskt rikligt med i jordskorpan (namnet är en kvarhållning från en 19:e- sekelkonventionen). Under de senaste åren har lågkostnadsproduktion i Kina och miljöhänsyn fått leverantörer utanför Kina att lägga ner sin verksamhet.
Alternativ till sällsynta jordartsmetaller finns för vissa tekniker. Ett exempel är den induktionsmotor som används av Tesla Motors i sin helelektriska Roadster. Den använder elektromagneter snarare än permanenta sällsynta jordartsmagneter. Men sådana motorer är större och tyngre än de som använder sällsynta jordartsmagneter. Som en tumregel, i små och medelstora motorer, kan en elektromagnetisk spole ersättas med en sällsynt jordartsmetall permanentmagnet på bara 10 procent av storleken, vilket har hjälpt till att göra permanentmagnetmotorer till det föredragna alternativet för Toyota och andra hybrider fordonstillverkare. I Teslas fall var induktionsmotortekniken värd att byta, vilket gav bilen högre maximal effekt under fler förhållanden, en högsta prioritet för ett fordon som kan raketa från noll till 60 mph på 3,7 sekunder. Kostnadsvolatiliteten för de sällsynta jordartsmetallernas permanentmagneter var ett problem, säger JB Straubel, Teslas tekniska chef. Vi kunde inte ha förutspått de geopolitiska spänningarna.
Fler tillverkare följer Teslas ledning för att undvika de sällsynta jordartsmetallerna, även om flytten innebär att man offra utrymme och lägger vikt på fordon. En vecka efter att Kina-dammningen började meddelade ett forskarlag i Japan att det hade gjort en hybridbilsmotor fria från sällsynta jordartsmetaller, och Hitachi har meddelade liknande ansträngningar . BMW:s elfordon Mini E använder induktionsmotorer, och Tesla levererar sina drivlinor till Toyotas kommande elektriska RAV 4. Med tanke på flyktigheten hos sällsynta jordartsprodukter och fördelarna med induktionsmotorer i högpresterande tillämpningar, är det vettigt för bilföretagen att fundera allvarligt på att använda induktionsmotorer, säger Wally Rippel, senior forskare på AC Propulsion. Rippel arbetade tidigare med design av induktionsmotorer på Tesla och GM, där han hjälpte till att utveckla den mest framstående EV1.
När biltillverkare utforskar alternativa motorer, försöker forskare i USA och på andra håll också hitta ersättningar för sällsynta jordartsmetaller, och politiska ansträngningar går framåt för att öka tillgången på sällsynta jordartsmetaller från utanför Kina.
I USA har den kinesiska dominansen av produktion av sällsynta jordartsmetaller lett till en ökning av finansieringen fokuserad på att utveckla permanentmagneter som använder mindre, om några, sällsynta jordartsmetaller, såsom nästan 7 miljoner dollar från Advanced Research Projects Agency for Energy ( ARPA-E). I ett av dessa projekt, University of Nebraska forskare jobbar för att förbättra permanentmagneter gjorda med en legering av järn och kobolt, eller FeCo. Denna klass av material säljs idag, men levererar hälften eller mindre av kraften hos de bästa sällsynta jordartsmetallmagneterna. Nebraska-forskarna kommer att fokusera på sätt att dopa den strukturella matrisen av dessa legeringar med spår av andra element, och därigenom omordna deras molekylära geometri för att skapa starkare, mer hållbara permanentmagnetiska material.
Genom att arbeta tillsammans med Nebraska-forskarna i samma ARPA-E-program, utvecklar forskare vid University of Delaware nanokompositer som använder mycket mindre av de värdefulla sällsynta jordartsmaterialen, men som teoretiskt har visat sig generera magnetiska styrkor dubbelt så kraftfulla som dagens bästa permanentmagneter. Labbet blandar partiklar, bara 20 till 30 nanometer stora, av magnetiska material från sällsynta jordartsmetaller med ett komplement som inte är sällsynta jordartsmetaller (tennkobolt). Tidigare ansträngningar för att göra detta material har inte kunnat justera nanopartiklarna exakt, vilket minskar deras magnetiska prestanda avsevärt. Istället för att koka ihop materialet i bulk, som att blanda smet, utvecklar teamet en process för att kontrollera partiklarnas inriktning genom att sätta ihop dem i vanliga arrayer.
GE Global Research, i Niskayuna, New York, är förföljer nanokompositer liknande de som utvecklas i Delaware, också med ARPA-E-finansiering. Med hjälp av egenutvecklade metoder syftar projektet till att bygga ett nytt material genom anpassningen av nanopulver. Dessa material är i sig instabila, så att kontrollera deras montering är vid gränsen för tillverkningsprocesser i nanoskala, säger Luana Iorio, chef vid GE:s högtemperaturlegeringar och processlaboratorium, som leder forskningen. GE uppskattar att dess nanokompositer kan leverera 35 procent större magnetisk styrka än dagens bästa permanentmagneter, samtidigt som de använder 40 procent av de sällsynta jordartsmetallerna, i volym. Inom två år, hoppas Iorio, kommer projektet att kunna skapa prover av det nya materialet några centimeter i diameter.
Men eftersom det kan ta år för dessa ansträngningar att bära frukt, väcker jakten på icke-kinesiska källor till mineralerna uppmärksamhet på kort sikt. I Kalifornien planerar Molycorp Minerals att återöppna gruvor med sällsynta jordartsmetaller som stängdes 2002, bland låga priser och miljöhänsyn. Under de senaste veckorna har räkningar lagts fram i USA:s hus och senaten som syftar till att återuppliva leveranskedjan för sällsynta jordartsmetaller i USA, inklusive gruvdrift, raffinering och tillverkning. Ett tredje lagförslag, i kammaren, är smalare och fokuserar på att erbjuda lånegarantier för att återuppta gruvdrift.