Nadir topraklar yerine: Amerikalı girişim mıknatıslar için başka malzemelere odaklanıyor
Elektrikli araç motorlarının çalışması güçlü kalıcı mıknatıslara dayanır. Sorun: Bu mıknatısların ham maddeleri yakında tükenebilir. Kalıcı mıknatıslar, elektrik yükü olmadan bile manyetik alanı koruyabilirler. Dönme kuvveti üretmek için elektrik akımıyla etkileşime giren manyetik alanı oluşturmak için genellikle motorlarda kullanılırlar. Günümüzde ileri teknolojiye sahip motorlarda kullanılan kalıcı mıknatıslar, nadir toprak elementleri adı verilen özel bir metal sınıfından yapılmıştır. Bu hammaddelere olan talebin, özellikle elektrikli mobilite ve rüzgar türbinlerinin artması sayesinde önümüzdeki yıllarda hızla artması bekleniyor. Madenlerin ve işleme tesislerinin talebi karşılayamaması nedeniyle arz kısa sürede tükenebilir.
Duyuru
Minnesota'da bir start-up şimdi başgösteren kıtlıkla mücadele etmek için çalışıyor. Niron Manyetik, demir nitrür üretmek için büyük ölçekli bir üretim tesisi kurma sürecinde. Bu basit hammaddelerden elde edilen manyetik bir malzemedir. En popüler ürünlere uygun, daha güçlü mıknatıslarda kullanılabilecek şekilde modifiye edilmesi amaçlanıyor. İstendiği gibi çalışırsa, iklim değişikliğiyle mücadele tedbirlerini yavaşlatabilecek baş gösteren arz kıtlığının üstesinden gelinmesine yardımcı olabilir.
Çoğumuzun aşina olduğu kalıcı mıknatıslar ferrit gibi ucuz malzemelerden yapılıyor. Mesela buzdolabımızın üstüne kartpostal koyuyorlar. Ancak söz konusu elektrikli arabalar gibi birçok cihaz ve makine, çok daha güçlü mıknatıslara ihtiyaç duyuyor. Kalıcı mıknatıslar kullanarak hareket oluşturan motorlar daha güçlü ve verimli olma eğilimindedir; bu nedenle neodimyum ve disprosyum gibi nadir topraklar çeşitli ürünler için vazgeçilmez hale gelmiştir. Örneğin bir rüzgar türbininde jeneratörün mıknatısları, rotor kanatlarının hareketini kullanır ve bunu elektriğe dönüştürür ve bu, güçlü bir manyetik kuvvet olmadan mümkün değildir.
Temiz enerji teknolojileri için ihtiyaç duyulan diğer birçok hammadde gibi manyetik malzemelere de talepte keskin bir artış yaşanıyor. Bir düşünce kuruluşu çevre politikası olan Breakthrough Institute'un iklim ve enerji ekibinin eş direktörü Seaver Wang, neodimyum ve disprosyum durumunda, rüzgar türbini pazarını tatmin etmek için arzın 2050 yılına kadar yedi kat artması gerekeceğini söylüyor.
Büyüyen boşluk
Ayrıca Uluslararası Enerji Ajansı'nın yaptığı bir analize göre, elektrikli araçlar için nadir toprak elementlerine olan talep 2040 yılına kadar mevcut seviyelerin 15 katına kadar artabilir. Ve bu sadece enerji dönüşümüyle ilgili değil. İnsanlığın düşük maliyetli elektrik ve elektroniğe erişiminin iyileştirilmesi, nadir topraklara olan talebin diğer sektörlerde de artması anlamına geliyor. Wang, jeolojik rezervlerin yakın gelecekte tükenme ihtimalinin düşük olduğunu söylüyor çünkü gezegenin toplam arzı göz önüne alındığında aslında o kadar da nadir değiller. Ancak bulundukları yerde genellikle çok yoğun değiller, bu da arzın hızlı ve ucuz bir şekilde artırılmasını büyük bir zorluk haline getiriyor.
Yakın gelecekte, 2035 yılına gelindiğinde neodimyum mıknatıslara olan küresel talep üç katına çıkabilirken, yeni madenlerin yaratılması için gereken uzun teslim süreleri nedeniyle üretim muhtemelen yalnızca iki katına çıkacak. Malzeme araştırma firması Adamas Intelligence'ın hipotezi budur. Niron Manyetiklerin CEO'su Jonathan Rowntree, talep arttıkça “dünyanın farklı bir çözüme ve yeni teknolojilere ihtiyacı olduğunu” söylüyor. Ancak bugün kalıcı mıknatısların yalnızca birkaç alternatifi var. Geri dönüşüm, gelecekte daha az nadir toprak elementinin çıkarılması ve işlenmesi gerekeceğinden emin olmanıza yardımcı olabilir. Ancak onlarca yıl boyunca artan talebi karşılamaya yetecek kadar kullanılmış malzeme olmayacak.
Tesla, 2023 yılında artık motorlarında nadir toprak metalleri kullanmayacağını açıklamıştı ancak şirket bunun nasıl başarılacağına dair henüz ayrıntılı bilgi vermedi. Bazı uzmanlar Tesla'nın daha düşük performanslı ferrit malzemeleri kullanmayı planladığını ancak bunun motorlara hacim ve ağırlık katacağını öne sürdü. Ancak Rowntree ve meslektaşları demir nitrürü beklenen sorunun çözümünün bir parçası olarak görüyorlar. Demir nitrür mıknatıslar, nadir toprak elementlerine veya bazen esas olarak mıknatıslarda ve lityum iyon pillerde kullanılan başka bir metal olan kobalta ihtiyaç duymaz. Kobalt başka sorunlar da yaratıyor: çıkarıldığında çevreye son derece zararlı ve madenlerde insani sorunlar yaşandığına dair raporlar var. Bazı uzmanlar, demir bazlı malzemelerin nadir toprak metalleri içerenler kadar güçlü mıknatıslar üretebileceğine inanıyor.
Niron Manyetikler şimdi bu sorunu çift prime alfa demir nitrür ile çözmek istiyor: 1950'lerde keşfedildi, ancak araştırmacıların onun güçlü manyetik özelliklerinden yararlanabilmesi için 20 yıl daha geçmesi gerekti. Minnesota Üniversitesi profesörü ve Niron Manyetik'te kıdemli bilim insanı olan Jian-Ping Wang, malzemenin yeteneklerinin başlangıçta fiziksel olarak açıklanamayacağını söylüyor. 1990'lı yıllara kadar bunlardan manyetik numunelerin güvenilir bir şekilde üretilmesinde zorluklar vardı. Bu problemden etkilenen Wang, 2002 yılında üniversitesinde üretilebilir demir nitrür üzerinde çalışmaya başladı.
Çekici bir alternatif
Yüzlerce malzeme varyasyonu yaptıktan ve neredeyse on yıl boyunca bunlar üzerinde çalıştıktan sonra, sonunda güvenilir bir şekilde ince film demir nitrür malzemeleri üretmenin kodunu kırdı. Bulgularını, Japonya ile Çin arasındaki jeopolitik gerilimlerin nadir toprak fiyatlarında büyük bir artışa yol açtığı 2010 yılındaki büyük bir konferansta sundu. Aniden güçlü kalıcı mıknatıslar yaratmak için kullanılabilecek alternatiflere ilgi arttı. ABD Enerji Bakanlığı'nın ARPA-E projesi bu tür malzemelerin geliştirilmesini destekledi ve Wang'a ve daha sonra Niron Magnetik adını alan araştırma şirketine bir hibe verdi.
Ames Ulusal Laboratuvarı'ndan kıdemli bir bilim adamı olan Matthew Kramer, nadir toprak elementlerinin modern teknolojinin her yerinde bulunduğunu, çünkü 1960'larda keşfedildiklerinde mıknatısların enerji yoğunluğunda “büyük bir sıçrama”ya işaret ettiklerini söylüyor. Bu mega-Gauss-oersted (MGOe) cinsinden ölçülür. Ferrit buzdolabı mıknatıslarının MGOe'si muhtemelen 5 civarındayken, neodimyum bazlı mıknatıslar önemli ölçüde daha güçlüdür ve yaklaşık 50 MGOe'ye ulaşır.
Kalıcı mıknatıslar, elektronların, yani atomlardaki yüklü parçacıkların dönmesi yoluyla manyetik alanlar oluşturur. Farklı elementlerin farklı sayıda serbest elektronları vardır ve bunlar belirli koşullar altında aynı yönde hareket ettirilerek bir manyetik alan oluşturulabilir. Basitçe söylemek gerekirse: Elektronlar ne kadar serbestçe hareket ederse ve aynı yönde hareket ederse, manyetik alan da o kadar güçlü olur.
Demirin çok sayıda serbest elektronu vardır, ancak genel bir yapı olmadan bunlar farklı yönlerde hareket etme eğiliminde olup manyetik alanın birbirini iptal etmesine neden olur. Neodimyum, disprosyum ve diğer nadir toprak metallerini eklediğinizde, demir atomlarını elektronlarının “işbirliği yapacak” şekilde düzenleyerek güçlü mıknatıslar elde edebilirsiniz. Ancak demir nitrür, diğer pek az malzemenin yapabildiği şeyi yapar: Demiri, elektronları hizalayacak ve onları bu şekilde bırakacak bir yapıya yerleştirir. Uzman Kramer, “Azotun demiri düzgün bir şekilde dağıtmasını sağlayabilirseniz, gerçekten çok iyi bir kalıcı mıknatıs almalısınız” diyor. Bununla birlikte, bunun zorlayıcı olduğu kanıtlanmıştır çünkü büyük miktarlarda demir nitrür üretmek ve karmaşık kimyayı mıknatıslanmasını koruyacak şekilde kullanmak zordur.
Fikirden uygulamaya
Wang, ince demir nitrür katmanlarını güvenilir bir şekilde üretmeyi başardıktan sonra, bir sonraki adım, onu büyük miktarlarda nasıl üreteceğini, ezeceğini ve mıknatıslara nasıl sıkıştıracağını bulmaktı.
Wang, bunun gerçek bir zorluk olduğunu, özellikle de demir nitrürün yüksek sıcaklıklarda ayrıştığını ve bu durumun geleneksel mıknatıs üretimi olanaklarını sınırladığını açıklıyor. Toplu olarak demir nitrür üretmek için çeşitli yöntemler geliştirdi; bunlardan en umut verici olanı, nitrojenin çok özel koşullar altında demir oksit yoluyla difüzyonunu içerir.
Rowntree, son yıllarda Niron'un üretim sürecini iyileştirmeye ve genişletmeye odaklandığını söylüyor. Demir nitrürün potansiyelinden nasıl yararlanılacağını keşfetmek önemlidir.
Demir nitrür aslında bugün kullanılan neodimyum mıknatıslardan çok daha güçlü mıknatıslar üretebilmelidir. Ancak bugün Niron CEO'su Rowntree'ye göre Niron'un mıknatısları yalnızca 10 MGOe'ye ulaşıyor. Bu, şirketin ilk ürün olarak araştırdığı hoparlör gibi cihazlar için yeterli. Ocak ayındaki CES'te Niron mıknatıslı küçük hoparlörleri sundu.
Daha büyük manyetik güce sahip olan demir nitrür mıknatıslar, elektrikli araçlar ve rüzgar türbinleri gibi cihazlarda daha kullanışlı olacaktır. Wang, teorik olarak malzemenin Niron'un mevcut üretim sürecini kullanarak 20 ila 30 MGOe'ye ulaşabilmesi gerektiğini, ancak bunun “çok fazla optimizasyon” gerektirdiğini söylüyor.
Niron kısa süre önce GM Ventures ve Stellantis Ventures gibi yatırımcılardan 30 milyon doların üzerinde para toplayarak toplam finansmanını 100 milyon doların üzerine çıkardı. Şirket, 2024 yılı sonuna kadar 1.000 kilogram üretim kapasitesine ulaşma hedefiyle mevcut pilot tesisinin üretim kapasitesini artırmak için çalışıyor.
Niron'un çalışması, diğer alternatifler ve geçici çözümlerle birlikte, birçok kritik iklim teknolojisindeki potansiyel darboğazın ortadan kaldırılmasında etkili olabilir. ARPA-E danışmanı Gregg Cremer, “Daha fazla mıknatıs ve daha fazla mıknatıs tedariği, enerji dönüşümü için çok önemlidir” diyor. “Daha fazla mıknatıs olmadan hedeflerimize ulaşamayız.”
Güncelleme, 8 Şubat 2024, 11:30: İlk paragrafta elektrikli süpürgelere yapılan atıf, karışıklığı önlemek amacıyla düzeltilmiştir.
(Jle)
Haberin Sonu