211service.com
Nové magnety by mohly vyřešit naše problémy se vzácnými zeminami
Silnější a lehčí magnety by mohly vstoupit na trh v příštích několika letech, což by umožnilo účinnější automobilové motory a větrné turbíny. Výzkumníci potřebují nové materiály, protože nejlepší dnešní magnety používají kovy vzácných zemin, jejichž nabídka se stává nespolehlivou, i když poptávka roste.
Vědci tedy nyní pracují na nových typech nanostrukturovaných magnetů, které by využívaly menší množství kovů vzácných zemin než standardní magnety. Mnoho překážek zůstává, ale GE Global Research doufá, že během příštích dvou let předvede nové materiály magnetů.
Nejsilnější magnety se spoléhají na slitinu kovu vzácných zemin neodymu, která také obsahuje železo a bor. Výrobci magnetů někdy k těmto magnetům přidávají další kovy vzácných zemin, včetně dysprosia a terbia, aby zlepšili jejich vlastnosti. Dodávky všech tří těchto vzácných zemin jsou ohroženy kvůli rostoucí poptávce a možnosti, že Čína, která jich většinu vyrábí, omezí export.
Není však jasné, zda se nové magnety dostanou na trh dříve, než poptávka po kovech vzácných zemin převýší nabídku. Ministerstvo energetiky USA předpokládá, že celosvětová produkce oxidu neodymu, klíčové složky magnetů, bude v roce 2015 celkem 30 657 tun. V jednom ze scénářů předpokládaných DOE bude poptávka po tomto kovu o něco vyšší než toto číslo v roce 2015. Scénáře DOE zahrnují určité dohady, ale podle nejkonzervativnějšího odhadu poptávka po neodymu převyšuje nabídku přibližně do roku 2020.
Mnoho příběhů o vzácných zeminách se soustředilo na Čínu a těžbu, říká Steven Duclos, manažer udržitelnosti materiálů v GE Global Research. Věříme, že technologie může hrát roli při řešení tohoto problému. DOE financuje magnetový projekt společnosti GE a projekt vedený výzkumníky z University of Delaware prostřednictvím programu Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E), který podporuje výzkum převratných technologií.
Přijít s novými materiály magnetů není snadné, říká George Hadjipanayis , předseda katedry fyziky a astronomie na University of Delaware. Hadjipanayis se podílel na vývoji neodymových magnetů v 80. letech minulého století při práci ve společnosti Kollmorgen. V té době jsme snad měli všichni štěstí, říká o počátečním vývoji neodymových magnetů. Výzkumníci v minulosti vyráběli nové magnety tak, že krystalizovali slitiny a hledali nové formy s lepšími vlastnostmi. Tento přístup nebude fungovat dále. Výkon neodymových magnetů stagnoval, říká Frank Johnson, který vede výzkumný program magnetů společnosti GE. Hadjipanayis souhlasí. Naděje jsou nyní nanokompozity, říká.
Nanokompozitní materiály magnetů jsou tvořeny nanočásticemi kovů, které se nacházejí v dnešních magnetických slitinách. Tyto kompozity mají například nanočástice na bázi neodymu smíchané s nanočásticemi na bázi železa. Tyto nanostrukturní oblasti v magnetu interagují způsobem, který vede k lepším magnetickým vlastnostem, než jaké se nacházejí v konvenčních magnetických slitinách.
Výhoda nanokompozitů pro magnety je dvojí: nanokompozity slibují, že budou silnější než jiné magnety podobné hmotnosti a měly by používat méně kovů vzácných zemin. To, co umožňuje lepší magnetické vlastnosti v těchto nanokompozitech, je vlastnost zvaná výměnná vazba. Fyzika je složitá, ale spojení mezi různými nanočásticemi v kompozitu vede k celkovým magnetickým vlastnostem, které jsou větší než součet částí.
Výměnná vazba nemůže nastat v čistě magnetických materiálech, ale objevuje se v kompozitech vyrobených ze směsí nanočástic stejných kovů, které se používají k výrobě konvenčních magnetů. Výhodou silnějších magnetů je, že stroje, do kterých je vložíte, mohou být menší a lehčí, říká Johnson.
GE nezveřejnila, jaké materiály používá k výrobě magnetů, ani jaké by byly její výrobní metody, ale Johnson říká, že společnost bude spoléhat na techniky, které vyvinula pro práci s jinými kovy. Hlavním problémem, kterému společnost čelí, říká Johnson, je zvýšení výroby na výrobu velkých magnetů – dosud bylo možné vyrobit pouze tenké filmy z nanokompozitů. Společnost má od ARPA-E finanční prostředky ve výši přibližně 2,25 milionu dolarů.
Hadjipanayis hlásí, že jeho skupina, konsorcium s více institucemi, obdrželo téměř 4,5 milionu dolarů na financování ARPA-E. Je možné vyrobit potřebné nanočástice v malých množstvích v laboratoři, ale jejich zvětšování bude obtížné. Jsou to velmi reaktivní materiály, říká.
Skupina experimentuje s širokou škálou různých typů nanočástic, včetně kombinací nanočástic na bázi neodymu s nanočásticemi železa a kobaltu. Další výzvou je sestavení nanočástic do směsi, která zajistí, že budou mít dostatečný vzájemný kontakt, aby se dosáhlo výměnné vazby. Je to krok za krokem, říká Hadjipanayis.