В двигателе вашего пылесоса и в электромобилях имеется как минимум один общий компонент — мощные постоянные магниты. И материалы для этих магнитов скоро могут оказаться в дефиците.
Постоянные магниты способны поддерживать магнитное поле без подачи электрического тока. Они широко используются в двигателях для обеспечения их вращения при подаче электрического поля. Высокоэффективные магниты сегодня производятся с использованием так называемых редкоземельных металлов. В ближайшие десятилетия ожидается резкий рост спроса на эти материалы, обусловленный, в частности, развитием электромобилей и ветровых турбин. Поскольку горнодобывающие предприятия и перерабатывающие мощности испытывают трудности с удовлетворением растущего спроса, запасы могут истощиться.
Один стартап из Миннесоты работает над устранением этой надвигающейся нехватки. Компания Niron Magnetics строит крупномасштабное производство для выпуска нитрида железа — магнитного материала, полученного из распространенных элементов. Одновременно компания работает над улучшением свойств этого материала, чтобы его можно было использовать в более мощных магнитах для питания большего числа устройств. Эти разработки могут помочь решить еще одну грядущую проблему с поставками, которая угрожает замедлить борьбу с изменением климата.
Растущий разрыв
Наиболее знакомыми для большинства людей являются дешевые ферритовые магниты, которые держат открытки и свадебные объявления на холодильнике.
Однако многие устройства, окружающие нас в повседневной жизни, такие как пылесосы и электромобили, требуют гораздо более сильных магнитов. Двигатели, генерирующие движение с помощью постоянных магнитов, как правило, более мощные и эффективные, поэтому редкоземельные металлы, такие как неодим и диспрозий, стали жизненно важны для широкого спектра устройств. Например, в ветряной турбине магниты в генераторе преобразуют движение лопастей в электричество.
Как и в случае со многими другими материалами, необходимыми для технологий чистой энергетики, можно ожидать головокружительный рост спроса на редкоземельные металлы, используемые в магнитах, по мере того как мир спешит бороться с изменением климата.
По словам Сивера Ванга, содиректора команды по климату и энергетике в Breakthrough Institute, аналитическом центре по вопросам окружающей среды и политики, к 2050 году объем поставок неодима и диспрозия должен вырасти в семь раз только для удовлетворения потребностей ветротурбин (Seaver Wang).
Кроме того, согласно анализу Международного энергетического агентства, спрос на редкоземельные металлы для электромобилей может вырасти в 15 раз по сравнению с сегодняшним уровнем к 2040 году (IEA). И дело не только в технологиях чистой энергетики: расширение доступа к электричеству и более дешевая электроника приведут к росту спроса на редкоземельные металлы и в других секторах.
По мнению Ванга из Breakthrough, мир вряд ли скоро исчерпает геологические запасы редкоземельных металлов — на самом деле, они не так уж и редки, по крайней мере, если смотреть на мировые запасы. Однако они, как правило, не очень сконцентрированы даже в местах их нахождения, поэтому быстрое и экономичное наращивание поставок редкоземельных металлов станет серьезной проблемой.
В краткосрочной перспективе мировой спрос на магниты с неодимом может утроиться к 2035 году, в то время как производство, вероятно, удвоится, учитывая длительные сроки строительства новых рудников, согласно данным исследовательской фирмы Adamas Intelligence (Adamas Intelligence).
Учитывая растущий спрос, «миру требуется иное решение и технология», — говорит Джонатан Роунтран, генеральный директор Niron Magnetics.
Сегодня существует мало альтернатив постоянным магнитам. Переработка может помочь снизить потребность в будущем в добыче и переработке редкоземельных элементов, но использованного материала будет недостаточно для удовлетворения растущего спроса в течение десятилетий.
В 2023 году Tesla объявила о планах отказаться от редкоземельных металлов в своих двигателях в будущем, хотя компания пока не раскрывает подробностей. Некоторые эксперты предположили (IEEE Spectrum), что компания планирует использовать ферритовые материалы меньшей мощности, что приведет к увеличению габаритов и веса двигателя.
Роунтран и его коллеги рассматривают нитрид железа как часть решения ожидаемой проблемы ограничений в поставках редкоземельных металлов. Магниты из нитрида железа не используют эти металлы и не требуют кобальта — еще одного металла, иногда применяемого в магнитах (и литий-ионных аккумуляторах), который вызывает все большую озабоченность из-за экологических и гуманитарных проблем, часто связанных с его добычей. А некоторые эксперты считают, что материалы на основе железа могут в итоге создавать магниты такой же прочности, как и те, что содержат редкоземельные элементы.
Привлекательная альтернатива
Хотя нитрид железа (в частности, фаза альфа-два штриха) был открыт еще в 1950-х годах, только в 1970-х годах исследователи обнаружили его сильные магнитные свойства, — рассказывает Цзянь-Пин Ван, профессор Миннесотского университета и технический основатель и главный научный сотрудник Niron Magnetics.
Даже тогда ученые не могли объяснить физику, лежащую в основе магнитных свойств материала, и с трудом добивались надежного воспроизведения магнитных образцов вплоть до 1990-х годов. Заинтересовавшись этой проблемой, Ван начал в 2002 году работать над материалами на основе нитрида железа в университете.
Создав сотни образцов и проработав почти десятилетие, Ван разгадал код для надежного создания пленок нитрида железа. Он представил свои выводы на крупной конференции в 2010 году — в тот же год, когда геополитическая напряженность между Японией и Китаем вызвала резкий рост цен на редкоземельные металлы.
Внезапно возрос интерес к альтернативам редкоземельным элементам для создания мощных постоянных магнитов. Управление перспективных исследовательских проектов в области энергетики (ARPA-E) Министерства энергетики США спонсировало гранты на разработку таких материалов, выделив один для Вана и исследований, которые в итоге легли в основу Niron Magnetics.
Редкоземельные металлы стали вездесущими в технологиях, поскольку они представляли собой «огромный скачок» в плотности энергии магнитов, когда были открыты в 1960-х годах, — говорит Мэтью Крамер, старший научный сотрудник Ames National Laboratory.
Один из основных показателей свойств магнита — его плотность энергии, измеряемая в мега-гауссах-эредах (МГОэ). В то время как ферритовые магниты на вашем холодильнике обычно имеют показатель около 5 МГОэ, магниты на основе неодима намного мощнее, достигая примерно 50 МГОэ.
Редкоземельные металлы, такие как неодим, в настоящее время являются важнейшим компонентом в постоянных магнитах, поскольку они способны упорядочивать другие металлы таким образом, что это способствует генерации сильного магнитного поля.
Постоянные магниты создают магнитные поля благодаря вращению электронов — малых заряженных частиц в атомах. Различные элементы имеют разное количество свободных электронов, которые при определенных условиях могут быть направлены вращаться в одном направлении, порождая магнитное поле. Чем больше электронов свободно вращается в одном направлении, тем сильнее магнитное поле.
Железо имеет много свободных электронов, но без общей структуры они склонны вращаться в разных направлениях, нейтрализуя друг друга. Добавление неодима, диспрозия и других редкоземельных металлов помогает расположить атомы железа таким образом, чтобы их электроны могли работать согласованно, что приводит к созданию мощных магнитов.
Нитрид железа делает то, что удается немногим другим материалам: он упорядочивает железо в структуру, которая заставляет электроны вращаться согласованно и сохранять это выравнивание — без необходимости использования редкоземельных металлов.
«Если бы можно было заставить азот распределить эти атомы железа нужным образом, можно было бы получить действительно хороший постоянный магнит», — говорит Крамер. Однако, добавляет он, это оказалось непросто, поскольку трудно производить эти материалы в больших объемах и использовать сложную химию таким образом, чтобы они сохраняли намагниченность.
От идеи к реализации
После того как Ван смог надежно создать тонкие пленки нитрида железа, следующим шагом было выяснить, как производить его в больших объемах, измельчать и спекать для создания магнитов.
Поиск производственного процесса был затруднен отчасти потому, что нитрид железа разрушается при высоких температурах, что ограничивает варианты, доступные в традиционном производстве магнитов, — объясняет Ван. Он разработал несколько методов изготовления нитрида железа в больших объемах, один из самых многообещающих из которых включает диффузию азота через оксид железа (ржавчина — это разновидность оксида железа) при строго определенных условиях.
В последние годы Niron сосредоточилась на совершенствовании и масштабировании производственного процесса, — говорит Роунтран. Остается значительная проблема — определение того, как помочь нитриду железа достичь своего полного потенциала.
Теоретически нитрид железа должен обеспечить создание магнитов, даже более мощных, чем неодимовые. Но сегодня магниты Niron могут достигать только около 10 МГОэ, — говорит Роунтран. Этого достаточно для таких устройств, как динамики, что компания и исследует в качестве раннего продукта. В январе на выставке CES компания продемонстрировала небольшие динамики, сделанные с использованием магнитов Niron (CES).
При более высокой силе намагниченности магниты из нитрида железа будут более полезны в таких устройствах, как электромобили и ветряные турбины. Теоретически, используя текущий метод производства Niron, материал должен достичь 20–30 МГОэ, — отмечает Ван, хотя достижение этой цели потребует «значительной оптимизации». Теоретический предел намного выше: нитрид железа потенциально способен формировать магниты мощнее неодимовых, используемых сегодня.
Недавно Niron получила от инвесторов, включая GM Ventures и Stellantis Ventures, более 30 миллионов долларов, доведя общее финансирование до 100 миллионов долларов (более 30 миллионов долларов) для удовлетворения растущего спроса на магниты без редкоземельных элементов. Компания работает над наращиванием производственных мощностей на своем текущем пилотном заводе, стремясь достичь мощности в 1000 килограммов к концу 2024 года.
Работа Niron, наряду с другими альтернативами и обходными путями, может иметь решающее значение для устранения крупного потенциального узкого места в развитии нескольких важнейших климатических технологий.
«Увеличение производства магнитов и рост их предложения критически важны для перехода к новой энергетике», — утверждает Грег Кремер, советник ARPA-E (Gregg Cremer). «Без большего количества магнитов мы просто не сможем достичь поставленных целей».
