211service.com
Nauji magnetai gali išspręsti mūsų retųjų žemių problemas
Per ateinančius kelerius metus į rinką gali patekti stipresni, lengvesni magnetai, todėl bus galima sukurti efektyvesnius automobilių variklius ir vėjo turbinas. Mokslininkams reikia naujų medžiagų, nes geriausi šiuolaikiniai magnetai naudoja retųjų žemių metalus, kurių tiekimas tampa nepatikimas net augant paklausai.
Taigi mokslininkai dabar dirba su naujų tipų nanostruktūriniais magnetais, kuriuose būtų naudojami mažesni retųjų žemių metalų kiekiai nei standartiniai magnetai. Išlieka daug kliūčių, tačiau „GE Global Research“ tikisi per ateinančius dvejus metus pristatyti naujas magnetines medžiagas.
Stipriausi magnetai remiasi retųjų žemių metalo neodimio lydiniu, kuriame taip pat yra geležies ir boro. Magnetų gamintojai į šiuos magnetus kartais prideda kitų retųjų žemių metalų, įskaitant disprozį ir terbį, kad pagerintų jų savybes. Visų trijų šių retųjų žemių elementų tiekimui iškilo pavojus dėl didėjančios paklausos ir galimybės, kad daugumą jų gaminanti Kinija apribos eksportą.
Tačiau neaišku, ar nauji magnetai pateks į rinką anksčiau, nei retųjų žemių metalų paklausa viršys pasiūlą. JAV Energetikos departamentas prognozuoja, kad 2015 m. visame pasaulyje neodimio oksido, pagrindinės magnetų sudedamosios dalies, gamyba sudarys 30 657 tonas. Pagal vieną iš DOE numatytų scenarijų, šio metalo paklausa 2015 m. bus šiek tiek didesnė nei šis skaičius. DOE scenarijai apima tam tikrus spėliojimus, tačiau konservatyviausiu vertinimu neodimio paklausa viršys pasiūlą maždaug iki 2020 m.
Daug pasakojimų apie retųjų žemių metalus buvo nukreipta į Kiniją ir kasybą, sako Stevenas Duclosas, GE Global Research medžiagų tvarumo vadovas. Manome, kad technologija gali atlikti svarbų vaidmenį sprendžiant šią problemą. DOE finansuoja GE magneto projektą, kuriam vadovauja Delavero universiteto mokslininkai, per Pažangių tyrimų projektų agentūros energetikos (ARPA-E) programą, kuri skatina ardomųjų technologijų tyrimus.
Sukurti naujas magnetines medžiagas nėra lengva, sako George'as Hadjipanayis , Delavero universiteto fizikos ir astronomijos katedros pirmininkas. Hadjipanayis dalyvavo kuriant neodimio magnetus devintajame dešimtmetyje, dirbdamas Kollmorgen. Tuo metu gal mums visiems pasisekė, – pasakoja jis apie pradinį neodimio magnetų kūrimą. Anksčiau mokslininkai gamindavo naujus magnetus kristalizuodami lydinius ir ieškodami naujų formų su geresnėmis savybėmis. Šis metodas neveiks toliau. Neodimio magnetų veikimas sumažėjo, sako Frankas Johnsonas, vadovaujantis GE magnetų tyrimų programai. Hadjipanayis sutinka. Jis sako, kad dabar viltis yra nanokompozitai.
Nanokompozitinės magnetinės medžiagos yra sudarytos iš metalų nanodalelių, kurios randamos šiandieniniuose magnetiniuose lydiniuose. Šiuose kompozituose, pavyzdžiui, yra neodimio pagrindu pagamintų nanodalelių, sumaišytų su geležies nanodalelėmis. Šios nanostruktūrinės magneto sritys sąveikauja taip, kad įgyja didesnes magnetines savybes nei įprastuose magnetiniuose lydiniuose.
Nanokompozitų pranašumas magnetams yra dvejopas: nanokompozitai žada būti stipresni už kitus panašaus svorio magnetus, juose reikėtų naudoti mažiau retųjų žemių metalų. Tai, kas suteikia geresnes šių nanokompozitų magnetines savybes, yra savybė, vadinama mainų jungtimi. Fizika yra sudėtinga, tačiau skirtingų nanodalelių sujungimas kompozite lemia bendras magnetines savybes, kurios yra didesnės nei dalių suma.
Mainų jungtis negali įvykti grynose magnetinėse medžiagose, bet atsiranda kompozituose, pagamintuose iš tų pačių metalų nanodalelių mišinių, kurie naudojami įprastiems magnetams gaminti. Tvirtesnių magnetų pranašumas yra tas, kad mašinos, į kurias juos įdedate, gali būti mažesnės ir lengvesnės, sako Johnsonas.
GE neatskleis, iš kokių medžiagų ji gamina magnetus, ar kokie būtų jos gamybos metodai, tačiau Johnsonas teigia, kad bendrovė remsis savo sukurtais būdais dirbti su kitais metalais. Pagrindinė problema, su kuria susiduria bendrovė, sako Johnsonas, yra gamybos didinimas, kad būtų pagaminti dideli magnetai – iki šiol iš nanokompozitų buvo įmanoma padaryti tik plonas plėveles. Bendrovė iš ARPA-E finansuoja apie 2,25 mln.
Hadjipanayis praneša, kad jo grupė, kelių institutų konsorciumas, gavo beveik 4,5 mln. USD ARPA-E finansavimo. Laboratorijoje galima pagaminti reikiamas nanodaleles nedideliais kiekiais, tačiau padidinti jų dydį bus sunku. Jie yra labai reaktyvios medžiagos, sako jis.
Grupė eksperimentuoja su daugybe įvairių tipų nanodalelių, įskaitant neodimio nanodalelių ir geležies-kobalto nanodalelių derinius. Kitas iššūkis yra nanodalelių surinkimas į mišinį, kuris užtikrina, kad jos pakankamai kontaktuotų viena su kita, kad gautų mainų jungtį. Tai vienas žingsnis vienu metu, sako Hadjipanayis.