قد لا يكون المغناطيس شيئا في أذهان معظم الناس، ولكنه ضروري "للاقتصاد الأخضر" المزدهر، والذي يقع في قلب محركات السيارات الكهربائية ومولدات توربينات الرياح. يتزايد الطلب بشكل خاص على المغناطيس الدائم القوي المصنوع من سبائك "العناصر الأرضية النادرة. ولكن مع عدم اليقين بشأن استمرار إمدادات العناصر الأرضية النادرة، يجري البحث عن مغناطيسات بديلة ذات أداء جيد ولكنها مصنوعة بالكامل من عناصر أخرى.

في حال نسيت الكيمياء الخاصة بك، فإن العناصر الأرضية النادرة تتكون من اللانثينيدات، والتي هي في الجزء الأفقي الطويل من الجدول الدوري، إلى جانب الإيتريوم والسكانديوم غير اللانثانيدات مجموعة 3. عندما يتعلق الأمر بالمغناطيس، فإن أكثر ما يثير الاهتمام هو النيوديميوم والسماريوم والسيريوم بالإضافة إلى العناصر الأرضية النادرة "الثقيلة" - الديسبروسيوم والتيربيوم والإيتربيوم. ومع ذلك، فإن أقوى المغناطيسات الدائمة وأكثرها استخدامًا هي سبائك النيوديميوم والحديد والكوبالت (ندفيب) وكوبالت السماريوم (سمكو).

تعتبر الأتربة النادرة وفيرة نسبيًا، حيث من المعروف أنها تحتوي على أكثر من 160 معدنًا. والمشكلة هي أنها تحدث بتركيزات ضئيلة بحيث يتم استخراج أربعة معادن فقط من أجل أتربة نادرة، بينما يكون استرداد المعادن الأخرى مكلفًا للغاية. باستناسيت هي المصدر الرئيسي للأتربة النادرة - حيث تمثل 94% من الإمدادات - وهي المصدر الرئيسي في العالم لمغناطيس النيوديميوم. طين اللاتريتوفي الوقت نفسه، فهي المصدر التجاري الرئيسي للأتربة النادرة الثقيلة.

من الصعب أيضًا فصل وتكرير الأتربة النادرة لأنها متشابهة كيميائيًا. إنها مكلفة بيئيًا أيضًا، على الرغم من أن ذلك لم يمنع الطلب على المغناطيس الدائم من الارتفاع. تقرير من المغناطيس والمواد يشير إلى أنه بحلول عام 2030، سيحتاج العالم إلى 55,000 طن إضافي من مغناطيس النيوديميوم مما يحتمل أن يكون متاحًا. في الواقع، من المتوقع أن ينمو سوق المغناطيس الإجمالي، الذي بلغت قيمته 29.3 دولارًا في عام 2021، بنسبة 6٪ تقريبًا سنويًا حتى عام 2030، وفقًا تحليل حديث من شركة Grand View Research.

الطلب على مغناطيس SmCo آخذ في الارتفاع أيضًا، على الرغم من المخاوف الأخلاقية والبيئية بشأن كيفية استخراج الكوبالت في جمهورية الكونغو الديمقراطية، التي تمتلك أكبر احتياطيات في العالم من هذا العنصر (معظم السماريوم يأتي من الصين). أ تقرير جديد من منظمة العفو الدوليةعلى سبيل المثال، يقول إن التوسع في استخراج الكوبالت والنحاس في البلاد أدى إلى إخلاء المجتمعات قسراً إلى جانب انتهاكات حقوق الإنسان "بما في ذلك الاعتداء الجنسي والحرق العمد والضرب".

تمت مناقشة العديد من التحديات المتعلقة بإيجاد وتصنيع المغناطيسات الأرضية غير النادرة في المؤتمر مؤتمر REPM23 الذي عقد في جامعة برمنغهام في المملكة المتحدة في سبتمبر. يُعرف الاجتماع رسميًا باسم ورشة العمل الدولية السابعة والعشرون حول الأرض النادرة والمغناطيسات الدائمة المستقبلية وتطبيقاتها، وقد ضم الاجتماع العظماء والصالحين من الأوساط الأكاديمية والصناعية من جميع أنحاء العالم. وكما اكتشفت، هناك قدر هائل من الأبحاث والتكنولوجيا المثيرة والمهمة الجارية في هذا المجال.

تسعى الأداء

من وجهة نظر فيزيائية، فإن جمال المغناطيس الدائم هو أنه يخزن الكثير من الطاقة، مما يسمح بتصنيع أجهزة صغيرة وعالية الكفاءة منها. بشكل عام، كلما ارتفع أداء المغناطيس، زادت كفاءة المحرك. لذا، على الرغم من أن المغناطيسات عالية الأداء باهظة الثمن، إلا أنها تستحق التكلفة الإضافية نظرًا لأنه يلزم إنفاق أموال أقل على أجزاء أخرى من النظام الذي تُستخدم فيه. على سبيل المثال، يعني المحرك الأكثر كفاءة أن البطارية الباهظة الثمن في السيارة الكهربائية لا تحتاج إلى أن تكون كبيرة جدًا.

لذلك يعد الأداء العام للمغناطيس الدائم أمرًا حيويًا، حيث يكون الرقم الرئيسي للجدارة هو كمية الطاقة التي يمكنك تخزينها في المادة. معروف ب "منتج الطاقة الأقصى"الطرق أو BH_ماكس، فهو تقريبًا 38 كيلوجول/م³ بالنسبة للفريت (BaFeO)، وهو أرخص مادة مغناطيسية بسعر يتراوح بين 3 إلى 6 دولارات للكيلوغرام الواحد. ولكن بالنسبة لمغناطيس النيوديميوم عالي الأداء، والذي يكلف حوالي 40-80 دولارًا للكيلوغرام الواحد، فإن المغناطيس النيوديميوم عالي الأداء، والذي يكلف حوالي XNUMX-XNUMX دولارًا للكيلوغرام الواحد، هو مغناطيس نيوديميوم عالي الأداء BH_ماكس أكبر بكثير 410 كيلوجول/م³.

لكن كونك رخيصًا وامتلاك منتج عالي الطاقة ليس كل شيء. تريد الشركات التي تصمم المحركات أو المولدات أيضًا مغناطيسًا يمكنه توليد مجال مغناطيسي كبير (أي ذو مجال مغناطيسي كبير). "البقاء"). بالإضافة إلى ذلك، يجب أن يكون للمغناطيس درجة عالية "القوة القهرية"، وهو في الأساس مقياس لمقدار الطاقة اللازمة لإزالة مغناطيسيتها. يعتمد الإكراه على كيفية صنع المغناطيس، مع العوامل الرئيسية بما في ذلك حجم البلورات وعدد وكمية المواد المضافة المستخدمة لتقوية المادة. إذا كانت القوة القسرية منخفضة جدًا، فسوف يفقد المغناطيس طاقته، وتزول مغناطيسيته، ويجعل المحرك أو المولد عديم الفائدة.

عامل حيوي آخر هو المغناطيس درجة حرارة كوري (T_c) ، والتي يتم فقدان جاذبيتها فوقها. مغناطيس النيوديميوم منخفض نسبيًا T_c من حوالي 210 ^oC، وهو جيد لمعظم التطبيقات. لكن كوبالت السماريوم لديه T_c حتى 800 ^oC، مما يجعل هذه المغناطيسات رائعة في رياضة السيارات والتطبيقات الأخرى حيث تكون درجات الحرارة المرتفعة شائعة. النيكو - سبيكة من الألومنيوم والنيكل والكوبالت - هي المادة السائدة الوحيدة ذات T_c أعلى من كوبالت السماريوم (1000 ^oج) و أ BH_ماكس أفضل من الفريت (عند 310 كيلوجول/م³)، ولكن قدرتها على الإكراه سيئة جدًا لدرجة أنها ذات استخدام محدود، خاصة الآن مع وجود مغناطيسات قوية.

المغناطيسات والمغناطيسات والمغناطيسات: سنحتاج إلى الكثير منها من أجل اقتصاد أخضر

لذلك ظل الأشخاص في مجتمع المغناطيس يبحثون منذ فترة طويلة عن مغناطيس يقع في الفجوة بين الفريت والنيوديميوم من حيث السعر والأداء. قد يحب الجميع مغناطيسًا رخيصًا للغاية يتفوق على النيوديميوم، لكن هذه المواد "الشبيهة بالآلهة" غير موجودة حاليًا - في الواقع، يقول البعض إنها لن تكون موجودة أبدًا. ومع ذلك، في كل مرة يرتفع فيها سعر النيوديميوم، يتجدد الاهتمام بالمغناطيسات الجديدة. في الواقع، لقد صدمت عندما علمت في اجتماع برمنغهام عن عدد المواد المغناطيسية المحتملة قيد التشغيل.

بالنسبة لي على الأقل، يبدو أن التحدي لا يكمن في صنع مواد جديدة في حد ذاته. الأمر الصعب هو تحسين المواد وعملية الإنتاج، الأمر الذي قد يستغرق عقودًا من الزمن. كما قال العالم الياباني ماساتو ساجاوا – أشار مخترع مغناطيس النيوديميوم في الجلسة العامة الافتتاحية في REPMلقد استغرق الأمر 40 عامًا من الجهد البطولي حتى تصل هذه المواد إلى حالتها الحالية BH_ماكس، وهو حوالي 90٪ من قيمته القصوى النظرية، وتحقيق الإكراه العالي والأداء العالي.

مسألة اختيار

أحد البدائل الأرخص للنيوديميوم هو السيريوم، الذي يتم استخراجه وتنقيته في نفس الوقت. ويمكن أن يحل محل النيوديميوم جزئيًا في مغناطيس NdFeB، مما يقلل التكاليف ولكن مع انخفاض في الأداء. ومع ذلك، هناك بعض الأنواع الواعدة الأخرى من المغناطيس الأقل تلويثًا ولا تستخدم أي عناصر أرضية نادرة تمامًا. إذا تمكنا من تحقيق ذلك، فسنقوم بالفعل بتحويل المعادن الأساسية إلى "الذهب الأخضر" في العصر الحديث.

يبدو أن واحدة من أكثر المشاريع الواعدة والمدعومة جيدًا نيتريد الحديد (الفين). واستناداً إلى مادتين فقط – الحديد والنيتروجين – رخيصتين ومتوفرتين بكثرة، فهو يتمتع بميزة BH_ماكس 1150 كيلوجول/م³ و T_c من 540 ^oج. شركات مثل نيرون في كاليفورنيا تستثمر بالفعل بشكل كبير في المنطقة، وتوظف عددًا كبيرًا ومتزايدًا من علماء المواد لتحسين خصائصها وإنتاجها.

المنافس الآخر هو كربون الألومنيوم المنغنيز (MnAlC)، الذي تم تسويقه في الأصل في الثمانينيات قبل أن يتم التخلي عنه مع ظهور مغناطيس النيوديميوم في المقدمة. فيزيائيو المواد في جامعة شيفيلد، بقيادة إليزابيث ديفيس فويل، حتى في الآونة الأخيرة أظهرت أن MnAlGa، الذي يستبدل الكربون في MnAlC بالجاليوم، يمكن أن يكون أفضل.

ثم هناك تتراتينيت - مادة مغناطيسية موجودة في النيازك. يحتوي على الحديد والنيكل (FeNi) في بنية بلورية رباعية الزوايا، ويتشكل في الطبيعة بعد تبريده ببطء لا يصدق عند بضع درجات فقط على مدى ملايين السنين. مع النظرية BH_ماكس من 335 كيلوجول / م³تبدو واعدة خاصة وأن الحديد والنيكل رخيصان للغاية. في عام 2022 باحثون في المملكة المتحدة والنمسا تم تصنيعه لأول مرة هنا على الأرض بإضافة الفوسفور (Adv.Sci. 10 2204315). علاوة على ذلك، فقد صنعوا رباعي النيكل في ثوانٍ معدودة، أي أسرع بما يتراوح بين 11 إلى 15 مرة من مثيله في الطبيعة. ليس من الواضح ما هو الإكراه الذي يمكن تحقيقه وما زال الوقت مبكرًا لهذه المادة.

إذا تمكنت من التعامل مع أتربة نادرة أقل تكلفة، فإن SmFeN، الذي يتكون من السماريوم والحديد والنيتروجين، يعد نظامًا ماديًا مثبتًا جيدًا ويوفر قوة إكراه ممتازة. نيتشيا – شركة يابانية لا ينبغي الاستخفاف بها – هي متابعة هذه التكنولوجيا بالفعل. يعتبر السماريوم أرخص بكثير ويتطلب طلبًا أقل من النيوديميوم، لذا يمكن أن يكون بديلاً جيدًا.

مستقبل جذاب

وليس من الواضح أي من هذه المواد سوف ينجح، وهناك العديد من المواد الأخرى التي لم أذكرها. على المدى القصير - على مدى السنوات الخمس المقبلة أو نحو ذلك - سيستمر مغناطيس النيوديميوم في السيطرة على السوق على ما يبدو، مع إغلاق السيريوم الفجوة من الأعلى والفريت من الأسفل. بكل بساطة، لا يبدو أن هناك شيئًا قادرًا على تحدي هيمنة النيوديميوم.

في الواقع، لدينا احتياطيات وفيرة من العناصر الأرضية النادرة: تشير التقديرات إلى وجود ثمانية ملايين طن من النيوديميوم على كوكب الأرض منتشرة على نطاق واسع في جميع أنحاء العالم، مع رواسب اقتصادية كبيرة في فيتنام وروسيا والهند وأستراليا وأوروبا. لكن الأمر المهم هو ذلك وتمتلك الصين حصة سوقية تبلغ 80-90% (يعتمد الرقم الدقيق على كيفية نظرتك إلى سلسلة التوريد) وهناك أسئلة جيوسياسية كبيرة حول العرض والسيطرة. ماذا يحدث، على سبيل المثال، إذا تم فرض الرسوم الجمركية أو إذا تم حظر بيع المنتجات التي تحتوي على مغناطيس من الصين في يوم من الأيام.

ومن الطبيعي أن تشكل مثل هذه القضايا مصدر قلق كبير للشركات التي تصنع المحركات والمولدات، وهو أحد الأسباب التي دفعت الولايات المتحدة إلى استعادة قدراتها في مجال المغناطيسات الأرضية النادرة. الشركة التي يقع مقرها في لاس فيغاس مواد MP، على سبيل المثال، هو بناء منشأة معالجة جديدة للمواد ذات المغناطيس الدائم في منجم ماونتن باسوالتي تقع في ولاية كاليفورنيا بالقرب من الحدود مع ولاية نيفادا. وجهة نظري هي أنه إذا تمكنت الولايات المتحدة من استعادة إنتاجها من هذه المادة بشكل كامل، فإن المخاوف بشأن العرض سوف تختفي تمامًا.

ومع ذلك، فإن البدائل الواعدة على المدى الطويل هي الفريت "الصلب"، وهو مغناطيس أكثر صداقة للبيئة ويتمتع بجمال كونه متاحًا هنا وفي الوقت الحالي. ويبدو أن هذا، على الأقل، هو إجماع الأشخاص الذين تحدثت إليهم في اجتماع برمنغهام، مع الشركات المصنعة للمواد بروتيريال (المعروفة سابقًا باسم شركة هيتاشي للمعادن) وقد قامت بالفعل ببناء 100 كيلووات النموذج الأولي لمحرك الفريت المغناطيسي هذا مناسب للسيارات الكهربائية.

هناك أيضًا احتمال محير بأننا قد لا نحتاج حتى إلى مغناطيس للمحركات. حتى وقت قريب، كان من المفترض بشكل عام أن المحركات المغناطيسية الدائمة كانت أكثر كفاءة بنسبة 10٪ تقريبًا من التصميمات التقليدية. لكن التطورات في مجال إلكترونيات الطاقة والتقدم في تصميم المحركات "التحريضية"، التي لا تحتوي على مغناطيس على الإطلاق، أدت إلى سد هذه الفجوة. وفي الواقع، فإن بعض المحركات الحثية تتساوى مع المحركات ذات المغناطيس الدائم، وعلى الرغم من أنها كبيرة وثقيلة، فمن يدري ما يخبئه لها من تقدم.

هذا هو السبب الذي يجعل خطة Tesla الرئيسية 3 منطقية جدًا لمستقبل مستدام

وفي غضون ذلك، فإن نفس التقدم في تصميم المحركات والإلكترونيات يعني أنه يمكن استخدام مواد مغناطيسية أرخص وأقل قوة. في اجتماع برمنغهام، كان الجميع يتحدثون عن أحدث خطة رئيسية صدر في وقت سابق من هذا العام من قبل شركة تسلا موتورز، التي فكرت في إزالة العناصر الأرضية النادرة بالكامل من محركاتها المستقبلية ذات المغناطيس الدائم. ومع ذلك، في الوقت الحالي، وبمساعدة التقدم في تصميم المحركات والمولدات، أعتقد أن الفريت الصلب هو البديل الواعد للمغناطيسات الأرضية النادرة.

ومع ذلك، فإن التوصل إلى عالم خال تماما من العناصر الأرضية النادرة لا يزال بعيدا.

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
• أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
• أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
• المصدر https://physicsworld.com/a/powering-the-green-economy-the-quest-for-magnets-without-rare-earths/