211service.com
Nuovi magneti potrebbero risolvere i nostri problemi con le terre rare
Magneti più potenti e più leggeri potrebbero entrare nel mercato nei prossimi anni, rendendo possibili motori per auto e turbine eoliche più efficienti. I ricercatori hanno bisogno dei nuovi materiali perché i migliori magneti di oggi utilizzano metalli delle terre rare, la cui offerta sta diventando inaffidabile anche con l'aumento della domanda.
Quindi i ricercatori stanno ora lavorando su nuovi tipi di magneti nanostrutturati che utilizzerebbero quantità minori di metalli delle terre rare rispetto ai magneti standard. Rimangono molti ostacoli, ma GE Global Research spera di dimostrare nuovi materiali magnetici entro i prossimi due anni.
I magneti più potenti si basano su una lega di neodimio, un metallo delle terre rare, che include anche ferro e boro. I produttori di magneti a volte aggiungono altri metalli delle terre rare, tra cui disprosio e terbio, a questi magneti per migliorarne le proprietà. Le forniture di tutte e tre queste terre rare sono a rischio a causa della crescente domanda e della possibilità che la Cina, che ne produce la maggior parte, limiti le esportazioni.
Tuttavia, non è chiaro se i nuovi magneti arriveranno sul mercato prima che la domanda di metalli delle terre rare superi l'offerta. Il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti prevede che la produzione mondiale di ossido di neodimio, un ingrediente chiave nei magneti, ammonterà a 30.657 tonnellate nel 2015. In uno degli scenari previsti dal DOE, la domanda di quel metallo sarà leggermente superiore a quel numero nel 2015. Il Gli scenari del DOE comportano alcune congetture, ma la stima più prudente prevede che la domanda di neodimio superi l'offerta entro il 2020.
Gran parte della storia delle terre rare si è concentrata sulla Cina e sull'estrazione mineraria, afferma Steven Duclos, responsabile della sostenibilità dei materiali presso GE Global Research. Riteniamo che la tecnologia possa svolgere un ruolo nell'affrontare questo problema. Il DOE sta finanziando il progetto magnete di GE, guidato da ricercatori dell'Università del Delaware, attraverso il programma Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E), che promuove la ricerca sulla tecnologia dirompente.
Trovare nuovi materiali magnetici non è facile, afferma George Hadjipanayis , presidente del dipartimento di fisica e astronomia dell'Università del Delaware. Hadjipanayis è stato coinvolto nello sviluppo di magneti al neodimio negli anni '80 mentre lavorava a Kollmorgen. A quel tempo, forse siamo stati tutti fortunati, dice dello sviluppo iniziale dei magneti al neodimio. Il modo in cui i ricercatori hanno realizzato nuovi magneti in passato consisteva nel cristallizzare le leghe e cercare nuove forme con proprietà migliori. Questo approccio non funzionerà in futuro. Le prestazioni dei magneti al neodimio si sono stabilizzate, afferma Frank Johnson, a capo del programma di ricerca sui magneti di GE. Hadjipanayis è d'accordo. La speranza ora sono i nanocompositi, dice.
I materiali magnetici nanocompositi sono costituiti da nanoparticelle dei metalli che si trovano nelle odierne leghe magnetiche. Questi compositi hanno, ad esempio, nanoparticelle a base di neodimio mescolate con nanoparticelle a base di ferro. Queste regioni nanostrutturate nel magnete interagiscono in un modo che porta a proprietà magnetiche maggiori rispetto a quelle che si trovano nelle leghe magnetiche convenzionali.
Il vantaggio dei nanocompositi per i magneti è duplice: i nanocompositi promettono di essere più forti di altri magneti di peso simile e dovrebbero utilizzare meno metalli delle terre rare. Ciò che consente migliori proprietà magnetiche in questi nanocompositi è una proprietà chiamata accoppiamento di scambio. La fisica è complessa, ma l'accoppiamento tra diverse nanoparticelle nel composito porta a proprietà magnetiche complessive che sono maggiori della somma delle parti.
L'accoppiamento di scambio non può avvenire nei materiali magnetici puri, ma emerge nei compositi costituiti da miscele di nanoparticelle degli stessi metalli che vengono utilizzati per realizzare i magneti convenzionali. Il vantaggio di magneti più potenti è che le macchine in cui li metti possono essere più piccole e leggere, afferma Johnson.
GE non rivelerà quali materiali sta utilizzando per realizzare i magneti, o quali sarebbero i suoi metodi di produzione, ma Johnson afferma che l'azienda farà affidamento su tecniche che ha sviluppato per lavorare con altri metalli. Il problema principale che l'azienda deve affrontare, afferma Johnson, è aumentare la produzione per realizzare magneti di grandi dimensioni: finora è stato possibile realizzare solo film sottili dei nanocompositi. La società ha circa $ 2,25 milioni di finanziamenti da ARPA-E.
Hadjipanayis riferisce che il suo gruppo, un consorzio multi-istituto, ha ricevuto quasi 4,5 milioni di dollari in finanziamenti ARPA-E. È possibile produrre le nanoparticelle necessarie in piccole quantità in laboratorio, ma l'ampliamento sarà difficile. Sono materiali molto reattivi, dice.
Il gruppo sta sperimentando un'ampia gamma di diversi tipi di nanoparticelle, comprese combinazioni di nanoparticelle a base di neodimio con nanoparticelle di ferro-cobalto. Un'altra sfida consiste nell'assemblare le nanoparticelle in una miscela che garantisca che abbiano un contatto sufficiente l'una con l'altra per ottenere l'accoppiamento di scambio. È un passo alla volta, afferma Hadjipanayis.