Producţia magneţilor fără pământuri rare în compoziţia lor e marea provocare a oamenilor de ştiinţă, pentru a garanta tranziţia la tehnologii cu zero emisii

Ultimul an, ba chiar ultimele luni, au adus în vizor conştientizarea unei probleme pe care ar putea-o avea omenirea în adoptarea pe scară largă a tehnologiilor ce asigură tranziţia spre energie regenerabilă, transport electric şi în general o economie cu zero emisii. Această problemă se ascunde în magneţi, care stau la baza tuturor acestor tehnologii, dar care au nevoie de pământuri rare pentru a fi produşi, marea majoritate a acestor minerale fiind extrase din China. Dacă brusc sursa acestor pământuri rare ar deveni indisponibilă, n-ar mai fi posibilă producţia a foarte multe electromotoare, turbine eoliene şi multe alte atribute moderne ale energiei regenerabile. Iar în ultimul an a devenit cât se poate de clar că acest moment al întreruperii furnizării ar putea veni într-o zi. Deci, acum multe echipe de oameni de ştiinţe, din diverse părţi ale lumii, s-au pus pe rezolvarea unei provocări majore — cea de a produce magneţi fără pământuri rare.

Foarte multe dintre electromotoarele sau generatoarele electrice folosite în cele mai avansate produse, precum turbinele eoliene sau maşinile electrice, folosesc magneţi permanenţi, în mare parte pentru că, în combinaţie cu tehnologia aferentă existentă, aceştia pot garanta un randament mai mare. Iar cererea a tot mai mare mai ales pentru magneţii permanenţi foarte puternici, care necesită prezenţa acelor materiale rare, clasificate drept pământuri rare.

Ca să reamintim din chimie ce înseamnă pământuri rare — acestea sunt 17 elemente din tabelul periodic, aşa-numitele lantanide, 14 la număr, de la numărul 57 la 71 (lantanul, ceriul, praseodimul, neodimul, promeţiul, samariul, europiul, gadoliniul, terbiul, disprosiul, holmiul, erbiul, tuliul, yterbiul, luteţiul), precum şi scandiul şi ytriul. În producţia magneţilor puternici, folosiţi în prezent în tehnologiile menţionate mai sus, cel mai frecvent se întâlnesc neodimul, samariul, ceriul, precum şi mineralele mai grele, yterbiul, terbiul, şi disprosiul. De cele mai multe ori, de facto se întâlnesc amestecuri între neodim, fier şi cobalt sau între samariu şi cobalt.

Foto: Pământurile rare, marcate în tabelul periodic al elementelor

Ei bine, la nivel mondial cam 95% din producţia şi extracţia acestor materiale ale loc în China. Există multe minerale care le conţin, peste 160 la număr, dar concentraţia e atât de mică, încât extracţia din multe de ele e mult prea scumpă. Aşa că 94% din extracţia actuală se face dintr-un mineral numit Bastnasite, iar elementele grele sunt extrase preponderent din laterit.

Extracţia acestor materiale e dificilă, adeseori foarte energofagă, cu emisii mari sau apă consumată pentru separare şi tratare, nemaivorbind de condiţii de muncă. Deci chiar dacă logistica din China ar fi una pe care să se poată bizui, tot ar fi bine să se poată dezvolta acest tehnologii fără aceste pământuri rare, care sunt disponibile în volume mici la nivel mondial şi n-ar putea satisface toată cererea din viitor.

Aşadar, e cât se poate de clară motivaţia de ce am avea nevoie de magneţi puternici, dar fără pământuri rare. Am putea produce motoare electrice fără ele, dar acestea n-ar fi la fel de puternice, iar generatoarele n-ar da un randament la fel de bun. În teorie, cu cât mai puternic e magnetul permanent al unui motor, cu atât mai mare va fi randamentul acelui motor. Şi chiar dacă el va trebui să conţină materiale rare şi scumpe, randamentul pe termen lung recuperează de obicei acest cost. E suficient să ne imaginăm ce diferenţă poate face o turbină eoliană care are un generator de 15 MW, faţă de una de 11 MW, cu acelaşi diametru, pusă în acelaşi loc. E vorba de 4 MW putere, sau 4 MWh de electricitate pe oră, sau până la 96 MWh electricitate pe zi. La un preţ de doar 10 cenţi per kWh, asta înseamnă 9.600 dolari pe zi diferenţă. În mod similar e cu maşinile electrice, care pot avea astfel multe sute de cai-putere, consumând mai puţin şi necesitând baterii mai mici.

Foto. Generatorul de 15,0 MW putere al unei turbine eoliene din Danemarca

Toţi iau ca reper magneţii ce conţin neodim ca reper energetic, pentru că aceştia sunt de 10-11 ori mai puternici decât cei mai simpli, iar producţia lor e deja suficient de avansată încât aceştia să coste 50-80 dolari per kilogram. Inventatorul acestor magneţi e un japonez, pe nume Masato Sagawa, care aminteşte că punerea lor în producţia de serie şi aducerea la randamentul actual de circa 90% din cel teoretic, a durat 40 de ani. Prin urmare, el şi alţi fizicieni spun că în ultimul timp comunitatea oamenilor de ştiinţă a propus câteva zeci de combinaţi de materiale rare, care pot da rezultate similare, dar marea provocare va fi sistematizarea pentru producţia la scară largă. Cel mai promiţător amestec pare a fi cel de nitrit de fier, FeN. Potenţialul lui energetic pare a fi de 2,0-2,5 ori mai mare decât la magneţii pe neodim, şi sunt necesare doar fier şi azot pentru producţie, răspândite pe larg! Asta înseamnă că şi producţia ar putea fi pusă la punct mai repede, iar mai multe echipe avansează intens în această direcţie. Renumita companie Nikon, de exemplu, despre care mulţi au uitat de când s-a uitat de camerele foto individuale, e cea care a investit cel mai mare sume în cercetarea acestor magneţi.

Foto: Masato Sagawa, inventatorul magnetului cu neodim

O altă direcţie studiată în prezent e cea a magneţilor ce conţin mangan, aluminiu şi carbon, care era deja cunoscută şi produsă în anii 80, însă a fost abandonată fără a fi dezvoltată mai mult. Acum, se pare că s-a descoperit că ea mai are loc de multă dezvoltare în randament.

Foto: Un motor actual de maşină electrică, cu magnet cu neodim

O altă metodă e cercetată acum mai ales în Marea Britanie şi Austria şi vine de la ideea de replica un material întâlnit în meteoriţi, prin combinarea fierului şi nichelului, cu răcire lentă. În 2022 s-a reuşit răcirea mai rapidă decât în natură, cu păstrarea calităţilor. Iar un magnet cu această compoziţie ar fi aproape identic cu cei pe neodim, folosiţi în prezent.

Foto: Construcţia unui electromotor al celor de la Lucid

O altă fostă divizie a companiei Hitachi, care studia metale şi care acum are numele de Proterial, a dezvoltat un electromotor cu magneţi pe bază de feriţi — un material foarte cunoscut şi considerat cel mai ecologic şi mai ieftin în producţia magneţilor, dar nu foarte dens. Ei bine, ei au reuşit să filtreze acest material în particule mai concentrate, ca să poată obţine rezultate mai bune de randament, iar dacă reuşesc, produsul final ar fi ieftin şi bazat pe materiale foarte răspândite şi uşor reciclabile în natură.

Nu putem să nu menţionăm şi planul anunţat de Tesla, de a elimina pământurile rare din magneţii permanenţi folosiţi la motoarele sale, fapt care semnalează că şi acolo se duc cercetări avansate în această direcţie, dar deocamdată lucrurile de acolo sunt ţinute în secret.

Foto: O imagine ce însoţea promisiunea Tesla de a elimina pământurile rare din electromotoarele sale

Pe lângă asta, mai există zeci de studii cu înlocuirea pământurilor rare mai scumpe şi mai greu de găsit cu altele mai disponibile, dar acestea rezolvă doar parţial problema. Practic, oamenii de ştiinţă şi-au stabilit în comunitatea lor o provocare prin care cercetează şi testează toate aceste variantă în diverse echipe, pentru ca una sau mai multe din aceste soluţii să iasă la suprafaţă ca una fezabilă, viabilă şi care să schimbe cu adevărat lucrurile spre bine.

Şi, desigur, mai există şi avansări semnificative în însăşi construcţia motoarelor electrice, care ar combina ideea celor pe inducţie, care nu folosesc deloc materiale rare, cu avantajele celor cu magneţi permanenţi. Chiar acum o lună publicam un articol despre un asemenea motor, anunţat de ZF. Şi se pare că în lume mai există asemenea elaborări în stadiu avansat.

Foto: Noul electromotor, creat de ZF

Toate aceste echipe au câteva scopuri majore comune, însă: să se poate produce magneţi fără pământuri rare, să se menţină randamentul actual atins în industrie, pentru a nu cauza un regres în avansul tehnologic, şi eventual a crea şi motoare şi generatoare la fel de eficiente care n-au nevoie de pământuri rare deloc, cu sau fără magneţi permanenţi.

Foto: O mină de extragere a neodimului

Iar dacă omenirea reuşeşte să atingă asta, va fi un alt imens în dezvoltarea tuturor tehnologiilor ce folosesc motoare electrice şi generatoare, peste tot, de la forme foarte mici la cele uriaşe, şi o îmbunătăţire majoră a impactului pentru mediu şi pentru oameni lăsat de producţia acestor tehnologii.