Przemysł magnetyczny od lat boryka się z wyzwaniami, które wydają się nie do przejścia. Wysokie koszty, ogromne zużycie energii i problemy z jakością materiałów to tylko część problemów. Oto jednak wreszcie pojawiło się światło w tunelu, które może zrewolucjonizować dostęp do magnesów, uniezależnić świat od surowców pozyskiwanych w Chinach i wreszcie obniżyć ceny m.in. elektrycznych samochodów.
Jak powstają magnesy trwałe?
Obecne sposoby wytwarzania magnesów trwałych opierają się na spiekaniu w ekstremalnych warunkach. Proces wymaga ciśnienia przekraczającego 100 megapaskali, co odpowiada mniej więcej tysiąckrotności ciśnienia atmosferycznego. To nie tylko ogromne obciążenie energetyczne, ale także źródło licznych komplikacji.
Obecnie, aby wyprodukować magnes, przemysł opiera się na spiekaniu proszków stopów metali w stałą bryłę w wysokiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem. Jest to złożony, czasochłonny proces, który wymaga dużo energii i często prowadzi do tworzenia wadliwych magnesów – tłumaczy naukowiec, Bharat Gwalani.
Czytaj też: Interkryształy zadziwiły badaczy. Odkryli nową klasę materiałów o niezwykłych właściwościach
Głównym problemem jest nierównomierna porowatość materiału. Konwencjonalne techniki stosują nacisk tylko w jednym kierunku, co powoduje koncentrację pustych przestrzeni w centralnej części magnesu. Skutkuje to niejednolitymi właściwościami magnetycznymi w całym materiale. Kolejną przeszkodą jest utlenianie metali ziem rzadkich. Te cenne surowce są wyjątkowo podatne na reakcje z tlenem, a podwyższona temperatura dodatkowo przyspiesza ten proces, pogarszając parametry końcowego produktu.
Naukowcy postanowili zmienić produkcję magnesów trwałych
Nowa metoda znana jako konsolidacja przez mieszanie tarciowe proponuje zupełnie inne rozwiązanie produkcji magnesów trwałych określanej w skrócie FSC. W niej proszek stopowy umieszcza się w komorze, poddaje relatywnie niskiemu ciśnieniu (poniżej 1 megapaskala) i miesza za pomocą obracającego się narzędzia. To radykalne odejście od dotychczasowych standardów, a kluczową innowacją jest lokalne wytwarzanie ciepła poprzez tarcie. Energia termiczna powstaje dokładnie tam, gdzie jest potrzebna do spiekania proszków, eliminując straty związane z ogrzewaniem całego materiału z zewnątrz.
Energia z ruchu obrotowego i siły kucia spieka proszek w ciało stałe bez topienia stopu. Ponieważ metal nie jest wystawiony na wysoką temperaturę i faktycznie się nie topi, proces ten skutkuje mniejszym utlenianiem i niepożądanymi przejściami fazowymi w materiale – tłumaczy naukowiec, Bharat Gwalani.
Obracanie materiału podczas aplikacji ciśnienia zapewnia równomierny rozkład nacisku w całej objętości. W efekcie technologia ta całkowicie eliminuje problem porowatości, który od dawna frustrował producentów. Oferuje też konkretne korzyści, bo szybszy czas produkcji przy jednoczesnym zmniejszeniu zapotrzebowania na energię, a to akurat argumenty, które z pewnością przemówią do branży. Magnesy wytworzone metodą FSC charakteryzują się jednolitymi właściwościami magnetycznymi w całym materiale, a badania wykazały, że FSC pozwala osiągnąć gęstość materiałów do 8,56 g/cm³, podczas gdy konwencjonalne metody metalurgii proszkowej dają wynik w zakresie 8,1-8,5 g/cm³.
Czytaj też: Taki cienki, a taki mocarny. Ten materiał zmienia światło w optyczny wir
Metoda ma również potencjał w kontekście zrównoważonego rozwoju. Trwają prace nad magnesami nowej generacji, które będą w mniejszym stopniu zależne od trudno dostępnych metali ziem rzadkich.
Naszym celem jest opracowanie silnych magnesów trwałych, które mają bardziej pożądane właściwości fizyczne. Chcemy tworzyć magnesy o niskiej gęstości, wytrzymalsze, które są mniej zależne od trudno dostępnych materiałów ziem rzadkich – tłumaczy naukowiec, Bharat Gwalani.
Poszukiwanie alternatyw
Równolegle do rozwoju FSC, naukowcy z University of Texas w Arlington odkryli nieoczekiwane właściwości magnetyczne w nanocząstkach tlenku żelaza. Po wystawieniu na ekstremalne ciśnienie – 180 tysięcy razy większe niż atmosferyczne – zwykły tlenek żelaza wykazuje cechy, które mogą prowadzić do stworzenia silniejszych magnesów.
Konwencjonalna mądrość mówi nam, że wysoką anizotropię można uzyskać tylko z materiałów zawierających ciężkie pierwiastki, takie jak metale ziem rzadkich. Jednak nasze odkrycie otwiera nowe możliwości tworzenia nowszych i silniejszych magnesów bez używania ciężkich pierwiastków – J. Ping Liu, fizyk z UTA
Czytaj też: Dziwny obiekt międzygwiezdny emituje własne światło? Szokujące doniesienia naukowca
To odkrycie może zrewolucjonizować branżę. Metale ziem rzadkich są kosztowne, mniej przyjazne dla środowiska i trudniejsze w pozyskiwaniu. Magnesy bazujące na powszechnie dostępnym tlenku żelaza mogłyby znacząco obniżyć koszty produkcji technologii konsumenckich, energetycznych i medycznych.
Dlaczego powszechniejsze, lepsze i tańsze magnesy to klucz to lepszej przyszłości?
Nowe metody wytwarzania magnesów to nie tylko usprawnienia procesowe, ale potencjalny game changer dla całej gospodarki. Tańsze, wydajniejsze magnesy mogą przyspieszyć rozwój elektromobilności, poprawić efektywność energetyki wiatrowej i otworzyć drogę do nowych zastosowań w medycynie i badaniach naukowych. Chociaż aktualne osiągnięcia brzmią obiecująco, to musimy pamiętać, że przejście od laboratoryjnych sukcesów do przemysłowej skali produkcji zawsze stanowi wyzwanie. Jeśli jednak nowe technologie spełnią swoje obietnice, możemy stać u progu prawdziwej transformacji w przemyśle magnetycznym.