211service.com
China's zeldzame-aarde-monopolie
Gedurende drie weken heeft China de verzending van zeldzame aardmineralen naar Japan geblokkeerd, een maatregel die de urgentie van pogingen om de controle van Peking over deze mineralen te doorbreken, heeft vergroot. China produceert nu bijna de hele wereldvoorraad van zeldzame aardmetalen, die cruciaal zijn voor een breed scala aan technologieën, waaronder harde schijven, zonnepanelen en motoren voor hybride voertuigen.
Een aantrekkelijk materiaal: Neodymium (hier afgebeeld) is een van de zeldzame aardelementen die essentieel zijn voor het maken van zeer sterke magneten voor compacte elektromotoren.
Als reactie op de dominantie van China in de productie, ontwikkelen onderzoekers nieuwe materialen die zeldzame aardmineralen kunnen vervangen of de behoefte eraan kunnen verminderen. Maar materialen en technologieën zullen waarschijnlijk jaren nodig hebben om zich te ontwikkelen, en bestaande alternatieven brengen compromissen met zich mee.
China blokkeerde blijkbaar de Japanse zendingen als reactie op een territoriaal gekibbel in de Zuid-Chinese Zee. Peking heeft het embargo ontkend, maar het gebrek aan aanbod kan binnenkort de productie in Japan verstoren, vertelde minister van Handel en Industrie Akihiro Ohata dinsdag aan verslaggevers.
Zeldzame aardmetalen bevatten 17 elementen, zoals terbium, dat wordt gebruikt om groene fosforen te maken voor flatscreen-tv's, lasers en hoogrenderende fluorescentielampen. Een ander van deze elementen, neodymium, is de sleutel tot de permanente magneten die worden gebruikt om hoogrenderende elektromotoren te maken. Hoewel meer dan 90 procent van de mineralen in China wordt geproduceerd, worden ze op veel plaatsen in de wereld gevonden, en ondanks hun naam zijn ze in feite overvloedig aanwezig in de aardkorst (de naam is een overblijfsel uit een 19e-eeuwse eeuw conventie). In de afgelopen jaren hebben goedkope Chinese productie en milieuproblemen ertoe geleid dat leveranciers buiten China hun activiteiten hebben stopgezet.
Voor sommige technologieën bestaan er alternatieven voor zeldzame aardmetalen. Een voorbeeld is de inductiemotor die wordt gebruikt door: Tesla Motors in zijn volledig elektrische Roadster. Het maakt gebruik van elektromagneten in plaats van permanente zeldzame-aarde-magneten. Maar dergelijke motoren zijn groter en zwaarder dan die met zeldzame-aardmagneten. Als vuistregel geldt dat in kleine en middelgrote motoren een elektromagnetische spoel kan worden vervangen door een zeldzame-aarde permanente magneet van slechts 10 procent van de grootte, waardoor permanentmagneetmotoren de voorkeursoptie zijn voor Toyota en andere hybride auto makers. In het geval van Tesla was de inductiemotortechnologie de afweging waard, waardoor de auto onder meer omstandigheden een hoger maximumvermogen kreeg, een topprioriteit voor een voertuig dat in 3,7 seconden van nul naar 60 mph kan schieten. De volatiliteit van de kosten van de permanente magneten van zeldzame aarde was een punt van zorg, zegt JB Straubel, Chief Technology Officer van Tesla. We hadden de geopolitieke spanningen niet kunnen voorspellen.
Meer fabrikanten volgen Tesla's voorbeeld om zeldzame aardmaterialen te mijden, hoewel de verhuizing betekent dat er ruimte wordt opgeofferd en voertuigen zwaarder worden. Een week nadat het stofzuigen in China begon, kondigde een onderzoeksteam in Japan aan dat het een hybride voertuigmotor had gemaakt vrij van zeldzame aardmaterialen, en Hitachi heeft soortgelijke inspanningen aangekondigd . BMW's Mini E elektrische voertuig maakt gebruik van inductiemotoren, en Tesla levert zijn aandrijflijnen aan Toyota's aankomende elektrische RAV 4. Gezien de vluchtigheid van zeldzame aardmetalen en de voordelen die inductiemotoren bieden in hoogwaardige toepassingen, is het logisch dat autobedrijven om denk serieus na over het gebruik van inductiemotoren, zegt Wally Rippel, senior wetenschapper bij AC Propulsion. Rippel werkte eerder aan inductiemotorontwerpen bij Tesla en GM, waar hij hielp bij de ontwikkeling van de baanbrekende EV1.
Terwijl autofabrikanten alternatieve motoren onderzoeken, proberen onderzoekers in de VS en elders ook vervangingen te bedenken voor materialen van zeldzame aardmetalen, en politieke inspanningen vorderen om de toevoer van zeldzame aardmetalen van buiten China te vergroten.
In de VS heeft de Chinese dominantie van de productie van zeldzame aardmetalen geleid tot een golf van financiering gericht op de ontwikkeling van permanente magneten die minder of geen zeldzame aardmaterialen gebruiken, zoals bijna $ 7 miljoen van het Advanced Research Projects Agency for Energy ( ARPA-E). In een van deze projecten hebben onderzoekers van de Universiteit van Nebraska zijn aan het werken ter verbetering van permanente magneten gemaakt met een legering van ijzer en kobalt, of FeCo. Deze klasse materialen wordt tegenwoordig verkocht, maar levert de helft of minder van de kracht van de beste op zeldzame aarde gebaseerde magneten. De Nebraska-onderzoekers zullen zich concentreren op manieren om de structurele matrix van deze legeringen te doteren met sporen van andere elementen, waardoor hun moleculaire geometrie wordt herschikt om sterkere, duurzamere permanente magnetische materialen te creëren.
Samen met de Nebraska-onderzoekers in hetzelfde ARPA-E-programma bevorderen onderzoekers van de Universiteit van Delaware nanocomposieten die veel minder van de waardevolle zeldzame-aardematerialen gebruiken, maar waarvan theoretisch is aangetoond dat ze magnetische krachten genereren die twee keer zo krachtig zijn als de beste van vandaag permanente magneten. Het laboratorium mengt deeltjes, slechts 20 tot 30 nanometer groot, van zeldzame-aarde magnetische materialen met een niet-zeldzame-aarde-complement (tin-kobalt). Eerdere pogingen om dit materiaal te maken, waren niet in staat om de nanodeeltjes precies uit te lijnen, waardoor hun magnetische prestaties aanzienlijk werden verminderd. In plaats van het materiaal in bulk te verzinnen, zoals het mengen van beslag, ontwikkelt het team een proces om de uitlijning van de deeltjes te regelen door ze in regelmatige arrays samen te stellen.
GE Global Research, in Niskayuna, New York, is achtervolgen nanocomposieten vergelijkbaar met die welke in Delaware worden ontwikkeld, ook met ARPA-E-financiering. Met behulp van in-house ontwikkelde methoden heeft het project tot doel: een nieuw materiaal bouwen door de uitlijning van nanopoeders. Deze materialen zijn intrinsiek onstabiel, dus het beheersen van hun assemblage is de grens van fabricageprocessen op nanoschaal, zegt Luana Iorio, een manager bij GE's High Temperature Alloys and Processing Laboratory, die het onderzoek leidt. GE schat dat zijn nanocomposieten 35 procent meer magnetische sterkte kunnen leveren dan de beste permanente magneten van vandaag, terwijl ze 40 procent van de zeldzame aarden in volume gebruiken. Iorio hoopt dat het project binnen twee jaar monsters kan maken van het nieuwe materiaal met een diameter van enkele centimeters.
Maar aangezien het jaren kan duren voordat deze inspanningen vruchten afwerpen, trekt de jacht op niet-Chinese bronnen van de mineralen op korte termijn de aandacht. In Californië is Molycorp Minerals op zoek naar de heropening van zeldzame aardmijnen die in 2002 zijn gesloten, te midden van lage prijzen en milieuproblemen. De afgelopen weken zijn er wetsvoorstellen ingediend in het Amerikaanse Huis en de Senaat om de toeleveringsketen van zeldzame aardmetalen in de VS nieuw leven in te blazen, inclusief mijnbouw, raffinage en productie. Een derde wetsvoorstel, in het Huis, is smaller en richt zich op het bieden van leninggaranties om de mijnbouw te hervatten.