211service.com
Nieuwe magneten kunnen onze zeldzame aardproblemen oplossen
De komende jaren zouden sterkere, lichtere magneten op de markt kunnen komen, waardoor efficiëntere automotoren en windturbines mogelijk worden. Onderzoekers hebben de nieuwe materialen nodig omdat de beste magneten van vandaag zeldzame aardmetalen gebruiken, waarvan het aanbod onbetrouwbaar wordt, zelfs als de vraag groeit.
Daarom werken onderzoekers nu aan nieuwe soorten nanogestructureerde magneten die kleinere hoeveelheden zeldzame aardmetalen zouden gebruiken dan standaardmagneten. Er zijn nog veel hindernissen, maar GE Global Research hoopt binnen de komende twee jaar nieuwe magneetmaterialen te kunnen demonstreren.
De sterkste magneten vertrouwen op een legering van het zeldzame aardmetaal neodymium dat ook ijzer en boor bevat. Magneetmakers voegen soms andere zeldzame aardmetalen toe, waaronder dysprosium en terbium, aan deze magneten om hun eigenschappen te verbeteren. De voorraden van alle drie deze zeldzame aardmetalen lopen gevaar vanwege de toenemende vraag en de mogelijkheid dat China, dat de meeste van deze zeldzame aardmetalen produceert, de export zal beperken.
Het is echter niet duidelijk of de nieuwe magneten op de markt zullen komen voordat de vraag naar zeldzame aardmetalen het aanbod overtreft. Het Amerikaanse ministerie van Energie voorspelt dat de wereldwijde productie van neodymiumoxide, een belangrijk ingrediënt in magneten, in 2015 in totaal 30.657 ton zal bedragen. In een van de geprojecteerde scenario's van de DOE zal de vraag naar dat metaal in 2015 iets hoger zijn dan dat aantal. De scenario's van DOE omvatten wat giswerk, maar volgens de meest conservatieve schatting is de vraag naar neodymium rond 2020 groter dan het aanbod.
Veel van het verhaal over zeldzame aardmetalen ging over China en mijnbouw, zegt Steven Duclos, manager materiële duurzaamheid bij GE Global Research. Wij geloven dat technologie een rol kan spelen om dit aan te pakken. De DOE financiert het magneetproject van GE, en een project dat wordt geleid door onderzoekers van de Universiteit van Delaware, via het Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E)-programma, dat onderzoek naar disruptieve technologie bevordert.
Nieuwe magneetmaterialen bedenken is niet eenvoudig, zegt George Hadjipanayis , voorzitter van de afdeling natuurkunde en sterrenkunde aan de Universiteit van Delaware. Hadjipanayis was in de jaren tachtig betrokken bij de ontwikkeling van neodymiummagneten toen hij bij Kollmorgen werkte. In die tijd hebben we misschien allemaal geluk gehad, zegt hij over de eerste ontwikkeling van neodymiummagneten. De manier waarop onderzoekers in het verleden nieuwe magneten maakten, was om legeringen te kristalliseren en te zoeken naar nieuwe vormen met betere eigenschappen. Deze aanpak zal in de toekomst niet werken. De prestaties van neodymiummagneten zijn tot stilstand gekomen, zegt Frank Johnson, hoofd van GE's magneetonderzoeksprogramma. Hadjipanayis is het daarmee eens. De hoop is nu nanocomposieten, zegt hij.
Nanocomposietmagneetmaterialen bestaan uit nanodeeltjes van de metalen die in de huidige magnetische legeringen worden aangetroffen. Deze composieten hebben bijvoorbeeld op neodymium gebaseerde nanodeeltjes vermengd met op ijzer gebaseerde nanodeeltjes. Deze nanogestructureerde gebieden in de magneet werken op een manier samen die leidt tot grotere magnetische eigenschappen dan die van conventionele magnetische legeringen.
Het voordeel van nanocomposieten voor magneten is tweeledig: nanocomposieten beloven sterker te zijn dan andere magneten van vergelijkbaar gewicht, en ze zouden minder zeldzame aardmetalen moeten gebruiken. Wat betere magnetische eigenschappen in deze nanocomposieten mogelijk maakt, is een eigenschap die uitwisselingskoppeling wordt genoemd. De fysica is complex, maar koppeling tussen verschillende nanodeeltjes in het composiet leidt tot algemene magnetische eigenschappen die groter zijn dan de som van de delen.
Uitwisselingskoppeling kan niet plaatsvinden in pure magneetmaterialen, maar komt naar voren in composieten gemaakt van mengsels van nanodeeltjes van dezelfde metalen die worden gebruikt om conventionele magneten te maken. Het voordeel van sterkere magneten is dat de machines waarin je ze plaatst kleiner en lichter kunnen zijn, zegt Johnson.
GE zou niet onthullen welke materialen het gebruikt om de magneten te maken, of wat de productiemethoden zouden zijn, maar Johnson zegt dat het bedrijf zal vertrouwen op technieken die het heeft ontwikkeld om met andere metalen te werken. Het grootste probleem waarmee het bedrijf wordt geconfronteerd, zegt Johnson, is het opschalen van de productie om grote magneten te maken - tot nu toe was het alleen mogelijk om dunne films van de nanocomposieten te maken. Het bedrijf heeft ongeveer $ 2,25 miljoen aan financiering van ARPA-E.
Hadjipanayis meldt dat zijn groep, een consortium van meerdere instituten, bijna $ 4,5 miljoen aan ARPA-E-financiering heeft ontvangen. Het is mogelijk om de benodigde nanodeeltjes in kleine hoeveelheden in het lab te maken, maar opschalen zal lastig zijn. Het zijn zeer reactieve materialen, zegt hij.
De groep experimenteert met een breed scala aan verschillende soorten nanodeeltjes, waaronder combinaties van op neodymium gebaseerde nanodeeltjes met ijzer-kobalt nanodeeltjes. Een andere uitdaging is het assembleren van de nanodeeltjes in een mengsel dat ervoor zorgt dat ze voldoende contact met elkaar hebben om uitwisselingskoppeling te krijgen. Het gaat stap voor stap, zegt Hadjipanayis.