211service.com
Nya magneter kan lösa våra sällsynta jordartsproblem
Starkare, lättare magneter kan komma in på marknaden under de närmaste åren, vilket gör effektivare bilmotorer och vindturbiner möjliga. Forskare behöver de nya materialen eftersom dagens bästa magneter använder sällsynta jordartsmetaller, vars utbud blir otillförlitligt även när efterfrågan ökar.
Så forskare arbetar nu med nya typer av nanostrukturerade magneter som skulle använda mindre mängder sällsynta jordartsmetaller än vanliga magneter. Många hinder kvarstår, men GE Global Research hoppas kunna demonstrera nya magnetmaterial inom de kommande två åren.
De starkaste magneterna är beroende av en legering av den sällsynta jordartsmetallen neodym som även innehåller järn och bor. Magnettillverkare lägger ibland till andra sällsynta jordartsmetaller, inklusive dysprosium och terbium, till dessa magneter för att förbättra deras egenskaper. Försörjningen av alla dessa tre sällsynta jordartsmetaller är i riskzonen på grund av ökande efterfrågan och möjligheten att Kina, som producerar de flesta av dem, kommer att begränsa exporten.
Det är dock inte klart om de nya magneterna kommer ut på marknaden innan efterfrågan på sällsynta jordartsmetaller överstiger utbudet. Det amerikanska energidepartementet räknar med att den globala produktionen av neodymoxid, en nyckelingrediens i magneter, kommer att uppgå till 30 657 ton 2015. I ett av DOE:s prognostiserade scenarier kommer efterfrågan på den metallen att vara lite högre än den siffran 2015. DOE:s scenarier innebär en del gissningar, men den mest konservativa uppskattningen har att efterfrågan på neodym överstiger utbudet omkring 2020.
Mycket av historien om sällsynta jordartsmetaller har fokuserat på Kina och gruvdrift, säger Steven Duclos, chef för material hållbarhet på GE Global Research. Vi tror att teknik kan spela en roll för att ta itu med detta. DOE finansierar GE:s magnetprojekt, och ett som leds av forskare vid University of Delaware, genom programmet Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E), som främjar forskning om störande teknologi.
Att komma med nya magnetmaterial är inte lätt, säger George Hadjipanayis , ordförande för avdelningen för fysik och astronomi vid University of Delaware. Hadjipanayis var involverad i utvecklingen av neodymmagneter på 1980-talet när han arbetade på Kollmorgen. På den tiden kanske vi alla hade tur, säger han om den initiala utvecklingen av neodymmagneter. Sättet som forskare gjorde nya magneter tidigare var att kristallisera legeringar och leta efter nya former med bättre egenskaper. Detta tillvägagångssätt kommer inte att fungera i framtiden. Neodymmagneternas prestanda har platågats, säger Frank Johnson, som leder GE:s magnetforskningsprogram. Hadjipanayis håller med. Förhoppningen nu är nanokompositer, säger han.
Nanokompositmagnetmaterial består av nanopartiklar av de metaller som finns i dagens magnetiska legeringar. Dessa kompositer har till exempel neodymbaserade nanopartiklar blandade med järnbaserade nanopartiklar. Dessa nanostrukturerade områden i magneten samverkar på ett sätt som leder till större magnetiska egenskaper än de som finns i konventionella magnetiska legeringar.
Fördelen med nanokompositer för magneter är tvåfaldig: nanokompositer lovar att vara starkare än andra magneter med liknande vikt, och de bör använda mindre sällsynta jordartsmetaller. Det som möjliggör bättre magnetiska egenskaper i dessa nanokompositer är en egenskap som kallas utbyteskoppling. Fysiken är komplex, men koppling mellan olika nanopartiklar i kompositen leder till övergripande magnetiska egenskaper som är större än summan av delarna.
Utbyteskoppling kan inte ske i rena magnetmaterial, utan uppstår i kompositer gjorda av blandningar av nanopartiklar av samma metaller som används för att tillverka konventionella magneter. Fördelen med starkare magneter är att maskinerna man sätter dem i kan vara mindre och lättare, säger Johnson.
GE vill inte avslöja vilka material de använder för att tillverka magneterna, eller vad dess tillverkningsmetoder skulle vara, men Johnson säger att företaget kommer att förlita sig på tekniker som det har utvecklat för att arbeta med andra metaller. Det största problemet företaget står inför, säger Johnson, är att skala upp produktionen för att göra stora magneter – hittills har det bara varit möjligt att göra tunna filmer av nanokompositerna. Företaget har cirka 2,25 miljoner dollar i finansiering från ARPA-E.
Hadjipanayis rapporterar att hans grupp, ett konsortium med flera institut, har fått nästan 4,5 miljoner dollar i ARPA-E-finansiering. Det är möjligt att tillverka de nödvändiga nanopartiklarna i små mängder i labbet, men det blir svårt att skala upp. De är väldigt reaktiva material, säger han.
Gruppen experimenterar med en lång rad olika typer av nanopartiklar, inklusive kombinationer av neodymbaserade nanopartiklar med järn-kobolt nanopartiklar. En annan utmaning är att sätta ihop nanopartiklarna i en blandning som säkerställer att de har tillräckligt med kontakt med varandra för att få utbyteskoppling. Det är ett steg i taget, säger Hadjipanayis.