James McKenzie esamina il lavoro della società spin-off dell'Università di Birmingham HyProMag, che ha sviluppato una tecnica per riciclare i magneti delle terre rare
Recentemente sono andato in missione commerciale in Canada finanziata da Innovate UK, dove ho incontrato Allan Walton – uno scienziato dei materiali che ha co-fondato un’azienda chiamata HyProMag. Nata dall’Università di Birmingham nel 2018, HyProMag ha sviluppato una tecnica per riciclare i magneti delle terre rare, che sono ampiamente utilizzati nelle turbine eoliche, nei motori dei veicoli elettrici (EV) e in altri settori della “green economy”.
Dopo essere stato invitato a visitare l'impianto di riciclaggio dei prototipi di HyProMag nel campus di Birmingham, ho visto che la tecnologia si stava preannunciando come una grande storia di successo nel Regno Unito. Cosi quando Mondo della fisica sentimi un comunicato stampa annunciando che la società inizierà la produzione commerciale a Parco energetico di Tyseley a Birmingham a metà del 2024, sapevo che il mio istinto era ben fondato.
Magneti permanenti in terre rare – come ho descritto nel mio articolo qualche mese fa – sono leghe di elementi come neodimio, samario e cerio. Con la transizione verso un’economia basata sull’energia pulita ormai in pieno svolgimento, la domanda di terre rare è elevata. Le stime suggeriscono che il mercato crescerà fino a un fattore sette tra il 2021 e il 2040.
Il problema è che circa l’80-90% del neodimio mondiale è attualmente prodotto – o controllato da – aziende cinesi. Ciò ha spinto alcune nazioni, come gli Stati Uniti, a farlo rinnovare la propria produzione di magneti permanenti. Ma un altro modo per garantire l’approvvigionamento di terre rare è riciclare i materiali. Ecco perché l'imminente avvio dell'impianto HyProMag è così interessante, soprattutto perché il suo processo è così efficiente dal punto di vista energetico.
Estrazione di elementi
Esistono molti metodi possibili per estrarre gli elementi delle terre rare da materiali di scarto o da prodotti che hanno raggiunto la fine della loro vita. La maggior parte del lavoro finora si è concentrata sull’ottenimento dei singoli elementi sciogliendo prima i magneti e poi recuperando le terre rare dai flussi di rifiuti liquidi che rientrano nella catena di approvvigionamento nelle prime fasi del processo di produzione dei magneti.
Alimentare l’economia verde: la ricerca di magneti senza terre rare
Questo approccio è spesso chiamato riciclaggio “a ciclo lungo” poiché tutto viene scomposto utilizzando varie tecniche e recuperato come ossidi di terre rare. Questi ossidi devono quindi essere convertiti in metalli prima di essere fusi in leghe e scomposti in una polvere di lega fine per realizzare i magneti. Il riciclaggio a ciclo lungo è un processo importante ma ad alta intensità energetica e costoso.
Lo stabilimento di Tyseley adotta un approccio diverso, basato com'è sul brevetto dell'Università di Birmingham Lavorazione dell'idrogeno dei rottami magnetici (Tecnica HPMS). Utilizza l'idrogeno come gas di processo per separare i magneti dai flussi di rifiuti sotto forma di polvere di lega magnetica, in cui può essere compattata “sinterizzato” magneti delle terre rare. Non richiede calore, è un processo relativamente rapido chiamato riciclaggio “a ciclo corto”.
Nel 259 sono stati spediti l’incredibile cifra di 2021 milioni di dischi rigidi, quindi il mercato dei magneti riciclati è enorme.
Quando ho esaminato la linea di prototipi dell'azienda l'anno scorso, ho notato che può riciclare le unità disco rigido (HDD) presenti nei computer. Ogni disco può contenere fino a 16 g di materiale magnetico, di cui circa un quarto sono costituiti da terre rare. Questa è solo una piccola frazione della massa complessiva del disco ma, come ricorderai che ho sottolineato, nel 259 sono stati spediti l'incredibile cifra di 2021 milioni di HDD, quindi il mercato è enorme.
Il metodo di produzione di HyProMag prevede che un robot dotato di sensori di campo magnetico identifichi innanzitutto la posizione del motore dell'HDD, che contiene l'importantissimo magnete permanente di terre rare. La sezione con il motore viene poi tagliata, mentre il resto del disco viene avviato al riciclaggio convenzionale. La sezione motore viene infine esposta all'idrogeno a pressione atmosferica e temperatura ambiente tramite la tecnica HPMS.
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Sorprendentemente, i magneti delle terre rare – tipicamente leghe di neodimio, ferro e boro (NdFeB) – si rompono per formare una polvere. ho visto video del processo ed è come guardare qualcosa arrugginirsi. Fondamentalmente, la polvere si smagnetizza, quindi eventuali rivestimenti sul magnete si staccano dalla superficie dei magneti e possono essere facilmente separati.
La polvere di NdFeB estratta viene quindi setacciata per rimuovere le impurità prima di essere rielaborata in nuovi materiali magnetici o leghe di terre rare. HyProMag stima che il processo richieda il 15% di energia in meno rispetto a quella necessaria per produrre magneti in terre rare da fonti primarie, il che è impressionante. Ha già prodotto più di 3000 nuovi magneti in terre rare nel suo impianto pilota per partner di progetto e potenziali clienti, con i magneti testati in un’ampia gamma di applicazioni nei settori automobilistico, aerospaziale ed elettronico.
Promesse di produzione
Ma l'azienda vuole superare la fase di prova e diventare un fornitore in grande quantità di magneti. Ecco perché l'impianto di espansione di Tyseley è così importante. L’azienda prevede che inizialmente sarà in grado di lavorare fino a 20 tonnellate di magneti e leghe di terre rare all’anno – e alla fine cinque volte quella quantità. HyProMag sta progettando anche ulteriori strutture in Germania e negli Stati Uniti.
La tecnologia è promettente perché molti prodotti contengono magneti di terre rare, ma quando vengono rottamati i magneti vengono triturati e si rompono. La polvere risultante rimane magnetica, aderendo ai rottami ferrosi e ai componenti dell'impianto, ma meno dell'1% dei magneti viene riciclato. HyProMag può, tuttavia, rimuovere in modo efficiente questo materiale prima che venga triturato e sta già esaminando una vasta gamma di fonti di rottami economicamente valide.
“È difficile vedere decollare il riciclaggio su larga scala dei magneti delle terre rare senza un processo di separazione efficiente come l’HPMS”, afferma Walton. “L’attuale linea pilota ci consente di elaborare fino a due tonnellate di applicazioni di scarto in un unico ciclo, con l’impianto commerciale ridimensionato per consentire dimensioni di lotti molto più grandi”. Il caricamento fino alla rimozione della polvere può essere effettuato, sostiene l'azienda, in appena quattro ore.
Con l’aumento della domanda di terre rare e della quantità di materiale magnetico di seconda mano disponibile, il riciclaggio di tali magneti sta diventando un’opportunità sempre più grande e un processo sempre più praticabile. Basta guardare la crescita del settore dei veicoli elettrici: un tipico motore elettrico contiene 2-5 kg di materiale magnetico e si prevede che le vendite mondiali di veicoli elettrici aumenteranno fino a 65 milioni all’anno entro il 2030, secondo la società di ricerche di mercato. IHS Markit.
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Un’altra enorme fonte di terre rare sono le turbine eoliche, molte delle quali stanno raggiungendo la fine della loro vita dopo decenni di utilizzo. I loro generatori contengono fino a 650 kg di terre rare per megawatt di capacità del generatore. Dato che il Regno Unito mira ad avere fino a 75 GW di capacità eolica off-shore entro il 2050, secondo gli esperti avrà quasi 50,000 tonnellate di magneti in terre rare negli anni a venire. Martyn Cherrington da Innovate UK, che lo gestisce Catena di fornitura circolare di materiali critici (CLIMATI).
Tali opportunità a lungo termine spesso necessitano del sostegno del governo e il riciclaggio dei magneti permanenti delle terre rare non ha fatto eccezione. In effetti, la ricerca fondamentale alla base del lavoro di HyProMag è iniziata molti anni prima della sua realizzazione. L'azienda ha inoltre beneficiato del sostegno finanziario da una serie di fonti, tra cui la ricerca e l'innovazione del Regno Unito Guidare la rivoluzione elettrica programma, l’Unione europea e gli investitori privati.
Nel 2023 HyProMag Ltd è stato acquistato dall'azienda canadese Maginito, che fa parte di Risorse Mkangogo – una società di esplorazione e sviluppo minerario quotata nelle borse del Regno Unito e del Canada. Mkango ha visto chiaramente il potenziale della tecnologia di riciclaggio e produzione di magneti di HyProMag. Si tratta di una grande storia di successo del Regno Unito, che potrebbe avere un enorme potenziale globale a lungo termine per l’economia circolare.
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- Fonte: https://physicsworld.com/a/how-a-technique-for-recycling-rare-earth-permanent-magnets-could-transform-the-green-economy/
