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Nuevos imanes podrían resolver nuestros problemas de tierras raras
Imanes más fuertes y ligeros podrían ingresar al mercado en los próximos años, haciendo posible motores de automóviles y turbinas eólicas más eficientes. Los investigadores necesitan los nuevos materiales porque los mejores imanes actuales utilizan metales de tierras raras, cuyo suministro se está volviendo poco fiable incluso a medida que aumenta la demanda.
Entonces, los investigadores ahora están trabajando en nuevos tipos de imanes nanoestructurados que usarían cantidades más pequeñas de metales de tierras raras que los imanes estándar. Aún quedan muchos obstáculos, pero GE Global Research espera demostrar nuevos materiales magnéticos en los próximos dos años.
Los imanes más fuertes se basan en una aleación de neodimio de un metal de tierras raras que también incluye hierro y boro. Los fabricantes de imanes a veces agregan otros metales de tierras raras, incluidos el disprosio y el terbio, a estos imanes para mejorar sus propiedades. Los suministros de estas tres tierras raras están en riesgo debido al aumento de la demanda y la posibilidad de que China, que produce la mayoría de ellas, restrinja las exportaciones.
Sin embargo, no está claro si los nuevos imanes llegarán al mercado antes de que la demanda de metales de tierras raras supere la oferta. El Departamento de Energía de EE. UU. Proyecta que la producción mundial de óxido de neodimio, un ingrediente clave en los imanes, totalizará 30,657 toneladas en 2015. En uno de los escenarios proyectados por el DOE, la demanda de ese metal será un poco más alta que esa cifra en 2015. El Los escenarios del DOE implican algunas conjeturas, pero la estimación más conservadora indica que la demanda de neodimio excede la oferta alrededor de 2020.
Gran parte de la historia sobre las tierras raras se ha centrado en China y la minería, dice Steven Duclos, gerente de sostenibilidad de materiales en GE Global Research. Creemos que la tecnología puede contribuir a solucionar este problema. El DOE está financiando el proyecto magnet de GE, y uno dirigido por investigadores de la Universidad de Delaware, a través del programa Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E), que fomenta la investigación sobre tecnología disruptiva.
Crear nuevos materiales magnéticos no es fácil, dice George Hadjipanayis , presidente del departamento de física y astronomía de la Universidad de Delaware. Hadjipanayis participó en el desarrollo de imanes de neodimio en la década de 1980 mientras trabajaba en Kollmorgen. En ese momento, tal vez todos tuvimos suerte, dice sobre el desarrollo inicial de los imanes de neodimio. La forma en que los investigadores hicieron nuevos imanes en el pasado fue cristalizando aleaciones y buscando nuevas formas con mejores propiedades. Este enfoque no funcionará en el futuro. El rendimiento de los imanes de neodimio se ha estancado, dice Frank Johnson, que dirige el programa de investigación de imanes de GE. Hadjipanayis está de acuerdo. La esperanza ahora son los nanocompuestos, dice.
Los materiales magnéticos nanocompuestos están formados por nanopartículas de los metales que se encuentran en las aleaciones magnéticas actuales. Estos compuestos tienen, por ejemplo, nanopartículas a base de neodimio mezcladas con nanopartículas a base de hierro. Estas regiones nanoestructuradas en el imán interactúan de una manera que conduce a mayores propiedades magnéticas que las que se encuentran en las aleaciones magnéticas convencionales.
La ventaja de los nanocompuestos para imanes es doble: los nanocompuestos prometen ser más fuertes que otros imanes de peso similar y deberían utilizar menos metales de tierras raras. Lo que permite mejores propiedades magnéticas en estos nanocompuestos es una propiedad llamada acoplamiento de intercambio. La física es compleja, pero el acoplamiento entre diferentes nanopartículas en el compuesto conduce a propiedades magnéticas generales que son mayores que la suma de las partes.
El acoplamiento de intercambio no puede ocurrir en materiales de imán puro, pero surge en compuestos hechos de mezclas de nanopartículas de los mismos metales que se utilizan para hacer imanes convencionales. La ventaja de los imanes más fuertes es que las máquinas en las que los coloca pueden ser más pequeñas y livianas, dice Johnson.
GE no quiso revelar qué materiales está usando para hacer los imanes, o cuáles serían sus métodos de fabricación, pero Johnson dice que la compañía se basará en técnicas que ha desarrollado para trabajar con otros metales. El principal problema al que se enfrenta la empresa, dice Johnson, es aumentar la producción para fabricar grandes imanes; hasta ahora, solo ha sido posible hacer películas delgadas de los nanocompuestos. La empresa cuenta con unos 2,25 millones de dólares en financiación de ARPA-E.
Hadjipanayis informa que su grupo, un consorcio de varios institutos, ha recibido casi $ 4.5 millones en fondos ARPA-E. Es posible fabricar las nanopartículas necesarias en pequeñas cantidades en el laboratorio, pero la ampliación será difícil. Son materiales muy reactivos, dice.
El grupo está experimentando con una amplia gama de diferentes tipos de nanopartículas, incluidas combinaciones de nanopartículas a base de neodimio con nanopartículas de hierro y cobalto. Otro desafío es ensamblar las nanopartículas en una mezcla que asegure que tengan suficiente contacto entre sí para obtener un acoplamiento de intercambio. Es un paso a la vez, dice Hadjipanayis.