211service.com
Il monopolio cinese delle terre rare
Per tre settimane, la Cina ha bloccato le spedizioni di minerali di terre rare in Giappone, una mossa che ha aumentato l'urgenza degli sforzi per rompere il controllo di Pechino su questi minerali. La Cina ora produce quasi tutta la fornitura mondiale di terre rare, che sono fondamentali per un'ampia gamma di tecnologie, inclusi dischi rigidi, pannelli solari e motori per veicoli ibridi.
Un materiale attraente: Il neodimio (mostrato qui) è uno degli elementi delle terre rare che sono fondamentali per realizzare magneti molto potenti per motori elettrici compatti.
In risposta al dominio della Cina nella produzione, i ricercatori stanno sviluppando nuovi materiali che potrebbero sostituire i minerali delle terre rare o ridurne la necessità. Ma è probabile che i materiali e le tecnologie impiegheranno anni per svilupparsi e le alternative esistenti hanno dei compromessi.
Apparentemente la Cina ha bloccato le spedizioni del Giappone in risposta a un battibecco territoriale nel Mar Cinese Meridionale. Pechino ha negato l'embargo, ma la mancanza di forniture potrebbe presto interrompere la produzione in Giappone, ha detto ai giornalisti martedì il ministro del commercio e dell'industria Akihiro Ohata.
Le terre rare includono 17 elementi, come il terbio, che viene utilizzato per produrre fosfori verdi per TV a schermo piatto, laser e lampade fluorescenti ad alta efficienza. Un altro di questi elementi, il neodimio, è la chiave dei magneti permanenti utilizzati per realizzare motori elettrici ad alta efficienza. Sebbene ben oltre il 90% dei minerali sia prodotto in Cina, si trovano in molti luoghi del mondo e, nonostante il loro nome, sono in realtà abbondanti nella crosta terrestre (il nome è un retaggio di un 19°- convenzione del secolo). Negli ultimi anni, la produzione cinese a basso costo e le preoccupazioni ambientali hanno indotto i fornitori al di fuori della Cina a chiudere le operazioni.
Esistono alternative alle terre rare per alcune tecnologie. Un esempio è il motore a induzione utilizzato da Motori Tesla nella sua Roadster completamente elettrica. Utilizza elettromagneti anziché magneti permanenti di terre rare. Ma tali motori sono più grandi e più pesanti di quelli che utilizzano magneti di terre rare. Come regola generale, nei motori di piccole e medie dimensioni, una bobina elettromagnetica può essere sostituita con un magnete permanente di terre rare di appena il 10% delle dimensioni, il che ha contribuito a rendere i motori a magneti permanenti l'opzione preferita per Toyota e altri ibridi costruttori di veicoli. Nel caso di Tesla, la tecnologia del motore a induzione valeva il compromesso, dando all'auto una potenza massima più elevata in più condizioni, una priorità assoluta per un veicolo che può schizzare da zero a 60 mph in 3,7 secondi. La volatilità dei costi dei magneti permanenti delle terre rare era una preoccupazione, afferma JB Straubel, chief technology officer di Tesla. Non avremmo potuto prevedere le tensioni geopolitiche.
Sempre più produttori stanno seguendo l'esempio di Tesla di evitare i materiali delle terre rare, sebbene la mossa significhi sacrificare lo spazio e aggiungere peso ai veicoli. Una settimana dopo l'inizio del caos in Cina, un gruppo di ricerca in Giappone ha annunciato che aveva realizzato un motore di un veicolo ibrido privo di materiali delle terre rare e Hitachi ha annunciato sforzi simili . Il veicolo elettrico Mini E di BMW utilizza motori a induzione e Tesla sta fornendo le sue trasmissioni al prossimo RAV elettrico di Toyota 4. Data la volatilità delle forniture di terre rare e i vantaggi offerti dai motori a induzione nelle applicazioni ad alte prestazioni, ha senso per le case automobilistiche pensare seriamente all'utilizzo dei motori a induzione, afferma Wally Rippel, scienziato senior presso AC Propulsion. Rippel ha precedentemente lavorato sui progetti di motori a induzione presso Tesla e GM, dove ha contribuito a sviluppare il seminale EV1.
Mentre le case automobilistiche esplorano motori alternativi, i ricercatori negli Stati Uniti e altrove stanno anche cercando di escogitare sostituti per i materiali delle terre rare e gli sforzi politici stanno avanzando per aumentare le forniture di terre rare al di fuori della Cina.
Negli Stati Uniti, il dominio cinese della produzione di minerali di terre rare ha provocato un'ondata di finanziamenti concentrati sullo sviluppo di magneti permanenti che utilizzano meno, se del caso, materiali di terre rare, come quasi 7 milioni di dollari dall'Advanced Research Projects Agency for Energy ( ARPA-E). In uno di questi progetti, i ricercatori dell'Università del Nebraska stanno lavorando per potenziare magneti permanenti realizzati con una lega di ferro e cobalto, o FeCo. Questa classe di materiali è venduta oggi, ma offre metà o meno della potenza dei migliori magneti a base di terre rare. I ricercatori del Nebraska si concentreranno sui modi per drogare la matrice strutturale di queste leghe con tracce di altri elementi, riorganizzando così la loro geometria molecolare per creare materiali magnetici permanenti più forti e durevoli.
Lavorando insieme ai ricercatori del Nebraska nello stesso programma ARPA-E, i ricercatori dell'Università del Delaware stanno facendo avanzare i nanocompositi che utilizzano molto meno dei preziosi materiali delle terre rare, ma che in teoria hanno dimostrato di generare forze magnetiche due volte più potenti di quelle odierne. magneti permanenti. Il laboratorio sta mescolando particelle, di appena 20-30 nanometri, di materiali magnetici di terre rare con un complemento di terre non rare (stagno cobalto). Gli sforzi precedenti per realizzare questo materiale non sono stati in grado di allineare con precisione le nanoparticelle, diminuendo sostanzialmente le loro prestazioni magnetiche. Invece di inventare il materiale alla rinfusa, come mescolare la pastella, il team sta sviluppando un processo per controllare l'allineamento delle particelle assemblandole in matrici regolari.
GE Global Research, a Niskayuna, New York, è perseguire nanocompositi simili a quelli in via di sviluppo in Delaware, anche con finanziamento ARPA-E. Utilizzando metodi sviluppati internamente, il progetto mira a costruire un nuovo materiale attraverso l'allineamento di nanopolveri. Questi materiali sono intrinsecamente instabili, quindi il controllo del loro assemblaggio è alla frontiera dei processi di produzione su scala nanometrica, afferma Luana Iorio, manager del Laboratorio di lavorazione e leghe ad alta temperatura di GE, che guida la ricerca. GE stima che i suoi nanocompositi potrebbero fornire il 35 percento in più di forza magnetica rispetto ai migliori magneti permanenti di oggi, utilizzando il 40 percento delle terre rare, in volume. Entro due anni, Iorio spera, il progetto sarà in grado di creare campioni del nuovo materiale di pochi centimetri di diametro.
Tuttavia, poiché potrebbero volerci anni prima che questi sforzi diano i loro frutti, la caccia a fonti di minerali non cinesi sta attirando l'attenzione nel breve termine. In California, Molycorp Minerals sta cercando di riaprire miniere di terre rare chiuse nel 2002, tra prezzi bassi e preoccupazioni ambientali. Nelle ultime settimane, alla Camera e al Senato degli Stati Uniti sono state presentate proposte di legge volte a rilanciare la catena di approvvigionamento delle terre rare negli Stati Uniti, tra cui l'estrazione, la raffinazione e la produzione. Un terzo disegno di legge, alla Camera, è più ristretto, concentrandosi sull'offerta di garanzie sui prestiti per riavviare l'attività mineraria.