Puede que los imanes no sean algo que la mayoría de la gente piense, pero son esenciales para la floreciente “economía verde”, ya que se encuentran en el corazón de los motores de los vehículos eléctricos y de los generadores de las turbinas eólicas. En particular, está aumentando la demanda de potentes imanes permanentes fabricados a partir de aleaciones de "extraños elementos de la Tierra. Pero ante la incertidumbre sobre el suministro continuo de tierras raras, se busca imanes alternativos que funcionen tan bien pero que estén hechos completamente de otros elementos.

En caso de que hayas olvidado tu química, los elementos de tierras raras consisten en lantánidos, que se encuentran en la parte horizontal larga de la tabla periódica, junto con los no lantánidos itrio y escandio en grupo 3. Cuando se trata de imanes, los de mayor interés son el neodimio, el samario y el cerio, así como las tierras raras "pesadas": disprosio, terbio e iterbio. Sin embargo, los imanes permanentes más fuertes y más utilizados son las aleaciones de neodimio, hierro y cobalto. (NdFeB) y cobalto samario (SmCo).

Las tierras raras son relativamente abundantes y se sabe que las contienen más de 160 minerales. El problema es que se producen en concentraciones tan minúsculas que sólo se extraen cuatro minerales para obtener sus tierras raras, siendo demasiado caro recuperar los demás. bastnasita es la principal fuente de tierras raras (representa el 94% del suministro) y es la principal fuente mundial de imanes de neodimio. Arcillas lateríticasMientras tanto, son la principal fuente comercial de tierras raras pesadas.

Separar y refinar tierras raras también es difícil porque son químicamente muy similares. También es costoso desde el punto de vista ambiental, aunque eso no ha impedido que aumente la demanda de imanes permanentes. Un informe de Magnetics & Materials sugiere que para 2030 el mundo necesitará 55,000 toneladas más de imanes de neodimio de las que probablemente estarán disponibles. De hecho, se espera que el mercado general de imanes, que valía 29.3 dólares en 2021, crezca casi un 6% anual hasta 2030, según un análisis reciente de Grand View Research.

La demanda de imanes de SmCo también está aumentando, a pesar de las preocupaciones éticas y ambientales sobre cómo se extrae el cobalto en la República Democrática del Congo, que tiene las reservas más grandes del mundo del elemento (la mayor parte del samario proviene de China). A Nuevo informe de Amnistía Internacional, por ejemplo, dice que la expansión de la minería de cobalto y cobre en el país ha provocado desalojos forzosos de comunidades junto con abusos contra los derechos humanos, “incluidas agresiones sexuales, incendios provocados y palizas”.

Muchos de los desafíos que implica encontrar y fabricar imanes de tierras no raras se discutieron en la conferencia REPM23 celebrada en la Universidad de Birmingham en el Reino Unido en septiembre. Conocida oficialmente como el 27º Taller Internacional sobre Tierras Raras y Futuros Imanes Permanentes y sus Aplicaciones, la reunión contó con la participación de los grandes y buenos del mundo académico y de la industria de todo el mundo. Como descubrí, hay una gran cantidad de investigaciones y tecnologías interesantes e importantes en este campo.

Buscando rendimiento

Desde el punto de vista de la física, la belleza de los imanes permanentes es que almacenan mucha energía, lo que permite fabricar dispositivos pequeños y altamente eficientes con ellos. En general, cuanto mayor sea el rendimiento del imán, mayor será la eficiencia del motor. Entonces, aunque los imanes de alto rendimiento son costosos, vale la pena el costo adicional porque se necesita gastar menos dinero en otras partes del sistema en el que se utilizan. Un motor más eficiente, por ejemplo, significa que la costosa batería de un vehículo eléctrico no necesita ser tan grande.

Por lo tanto, el rendimiento general de un imán permanente es vital, y el factor clave de mérito es la cantidad de energía que puede almacenar en el material. Conocido como el “producto energético máximo”o BH_max, es aproximadamente 38 kJ/m³ para la ferrita (BaFeO), que es el material magnético más barato, entre 3 y 6 dólares por kilogramo. Pero en el caso de los imanes de neodimio de alto rendimiento, que cuestan entre 40 y 80 dólares el kilogramo, el precio BH_max es mucho mayor 410 kJ/m³.

Pero ser barato y tener un producto con alto contenido energético no lo es todo. Las empresas que diseñan motores o generadores también quieren un imán que pueda generar un gran campo magnético (es decir, con un gran “remanencia”). Además, el imán debe tener una alta “coercitividad”, que es esencialmente una medida de cuánta energía se necesita para desmagnetizarlo. La coercitividad depende de cómo se fabrica un imán, con factores clave que incluyen el tamaño de los cristales y la cantidad de aditivos utilizados para endurecer el material. Si la coercitividad es demasiado baja, el imán perderá su energía, se desmagnetizará e inutilizará el motor o generador.

Otro factor vital es la fuerza de un imán. Temperatura curie (T_c), por encima del cual se pierde su magnetismo. Los imanes de neodimio tienen una relativamente baja T_c de aproximadamente 210 ^oC, que está bien para la mayoría de las aplicaciones. Pero el samario cobalto tiene un T_c de hasta 800 ^oC, lo que hace que estos imanes sean ideales para deportes de motor y otras aplicaciones donde las altas temperaturas son comunes. AlNiCo – una aleación de aluminio, níquel y cobalto – es el único material convencional con un T_c más alto que el samario cobalto (1000 ^oC) y una BH_max mejor que la ferrita (a 310 kJ/m³), pero su coercitividad es tan pobre que su uso es limitado, especialmente ahora que existen imanes de mayor coercitividad.

Imanes, imanes, imanes: necesitaremos muchos para una economía verde

Por lo tanto, la gente de la comunidad magnética lleva mucho tiempo buscando un imán que se sitúe a la altura de la ferrita y el neodimio en términos de precio y rendimiento. A todo el mundo le encantaría tener un imán súper barato que supere al neodimio, pero estos materiales "divinos" no existen actualmente; de ​​hecho, algunos dicen que nunca existirán. Aún así, cada vez que el precio del neodimio aumenta, hay un resurgimiento del interés en nuevos imanes. De hecho, me sorprendió saber en la reunión de Birmingham cuántos materiales magnéticos potenciales hay en competencia.

Al menos a mí me parece que el reto no está en fabricar nuevos materiales per se. Lo difícil es optimizar el material y el proceso de producción, lo que puede llevar literalmente décadas. Como dice el científico japonés Masato Sagawa – el inventor de los imanes de neodimio – señaló en el plenario de apertura de la REPM, han sido necesarios 40 años de esfuerzo heroico para que estos materiales alcancen su estado actual. BH_max, que es aproximadamente el 90% de su valor máximo teórico, y para lograr una alta coercitividad y un alto rendimiento.

Una cuestión de elección

Una alternativa más económica al neodimio es el cerio, que se extrae y se refina al mismo tiempo. Podría sustituir parcialmente el neodimio en los imanes de NdFeB, reduciendo costes pero con una caída en el rendimiento. Sin embargo, existen otros tipos prometedores de imanes que son mucho menos contaminantes y no utilizan tierras raras. Si podemos ponerlos en marcha, realmente estaríamos convirtiendo los metales básicos en el moderno "oro verde".

Uno de los más prometedores y mejor respaldados parece ser nitruro de hierro (Pantano). Basado en sólo dos materiales –hierro y nitrógeno– que son baratos y abundantes, tiene una BH_max de 1150 kJ/m³ y T_c de 540 ^oC. Empresas como Nirón en California ya están invirtiendo sustancialmente en el área, empleando un número grande y creciente de científicos de materiales para afinar sus propiedades y producción.

Otro contendiente es el carbono de aluminio y manganeso (MnAlC), que se comercializó originalmente en la década de 1980 antes de ser abandonado cuando los imanes de neodimio pasaron a primer plano. Físicos de materiales de la Universidad de Sheffield, dirigidos por Elizabeth Davis Fowell, incluso recientemente demostrado que MnAlGa, que reemplaza el carbono del MnAlC con galio, podría ser aún mejor.

Luego está tetrataenita – un material magnético que se encuentra en los meteoritos. Contiene hierro y níquel (FeNi) en una estructura cristalina tetragonal y se forma en la naturaleza después de haberse enfriado increíblemente lentamente a solo unos pocos grados durante millones de años. Con un teórico BH_max de 335 kJ/m³, parece prometedor, sobre todo porque el hierro y el níquel son muy baratos. En 2022 investigadores en el Reino Unido y Austria Lo fabricó por primera vez aquí en la Tierra añadiendo fósforo. (Ciencia avanzada. 10 2204315).. Es más, produjeron la tetrataenita en tan solo unos segundos, entre 11 y 15 órdenes de magnitud más rápido que en la naturaleza. No está claro qué coercitividad podría lograrse y este material aún está en sus primeros días.

Si se puede hacer frente a una tierra rara más económica, entonces el SmFeN, que se compone de samario, hierro y nitrógeno, es un sistema material bien probado y ofrece una excelente coercitividad. Nichia – una empresa japonesa que no debe tomarse a la ligera – es Ya estamos siguiendo esta tecnología.. El samario es mucho más barato y tiene menos demanda que el neodimio, por lo que podría ser una buena alternativa.

Futuro atractivo

No está claro cuál de estos materiales tendrá éxito, y hay muchos otros que no he mencionado. A corto plazo (durante los próximos cinco años aproximadamente), los imanes de neodimio seguirán dominando el mercado, al parecer, con el cerio cerrando la brecha desde arriba y las ferritas desde abajo. Sencillamente, nada parece capaz de desafiar el predominio del neodimio.

De hecho, tenemos abundantes reservas de elementos de tierras raras: las estimaciones sugieren que hay ocho millones de toneladas de neodimio en el planeta, repartidas por todo el mundo, con grandes depósitos económicos en Vietnam, Rusia, India, Australia y Europa. La preocupación, sin embargo, es que China tiene una cuota de mercado del 80 al 90%. (la cifra exacta depende de cómo se mire la cadena de suministro) y existen grandes cuestiones geopolíticas sobre el suministro y el control. ¿Qué pasaría, por ejemplo, si alguna vez se introdujeran aranceles o si algún día se prohibiera la venta de productos que contienen imanes procedentes de China?

Naturalmente, estas cuestiones son de gran preocupación para las empresas que fabrican motores y generadores, lo que es una de las razones por las que Estados Unidos ha estado restableciendo sus capacidades en imanes de tierras raras. La firma con sede en Las Vegas Materiales MP, por ejemplo, está construyendo una nueva instalación de procesamiento para materiales de imán permanente en el mina del paso de la montaña, que se encuentra en California, cerca de la frontera con Nevada. Mi opinión es que si Estados Unidos logra restablecer completamente su propia producción de este material, las preocupaciones sobre el suministro desaparecerán por completo.

Sin embargo, a largo plazo, las alternativas más prometedoras son las ferritas “duras”, que son un imán mucho más respetuoso con el medio ambiente y tienen la ventaja de estar disponibles aquí y ahora. Ése, al menos, parecía ser el consenso de las personas con las que hablé en la reunión de Birmingham, con el fabricante de materiales Proterial (anteriormente conocida como Hitachi Metals) habiendo construido ya una planta de 100 kW prototipo de motor magnético de ferrita Eso es adecuado para vehículos eléctricos.

También existe la tentadora perspectiva de que es posible que ni siquiera necesitemos imanes para los motores. Hasta hace poco, se suponía generalmente que los motores magnéticos permanentes eran alrededor de un 10% más eficientes que los diseños convencionales. Pero los avances en la electrónica de potencia y los avances en el diseño de motores de “inducción”, que no tienen ningún imán, han cerrado esta brecha. De hecho, algunos motores de inducción están a la par de los de imanes permanentes, y aunque son grandes y pesados, quién sabe qué avances nos depararán.

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Mientras tanto, esos mismos avances en el diseño de motores y la electrónica significan que se pueden utilizar materiales magnéticos más baratos y menos potentes. En la reunión de Birmingham, todo el mundo hablaba del último plan maestro. emitido a principios de este año por Tesla Motors, que contemplaba eliminar por completo las tierras raras de sus futuros motores de imanes permanentes. Por el momento, sin embargo, con la ayuda de los avances en el diseño de motores y generadores, las ferritas duras, diría yo, son la alternativa más prometedora a los imanes de tierras raras.

Sin embargo, aún queda un largo camino por recorrer para lograr un mundo completamente libre de tierras raras.

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