Substituce vzácných zemin pomocí nanotechnologií
Poptávka po efektivnějších materiálech rychle roste. Vzhledem k tomu, že mnoho surovin je málo, odborníci společnosti Siemens také pracují na strategiích jejich náhrady - například pomocí nanotechnologií.
Zelené produkty rostou, jako jsou permanentní magnety pro generátory ve větrných turbínách. Jsou založeny na kovech vzácných zemin, skupině prvků v periodické tabulce, jako jsou neodym, praseodym a dysprosium.
Když jsou optimálně kombinovány, jejich energetický produkt, míra skladovatelné magnetické energie, dosahuje více než 400 kilojoulů na metr krychlový (kJ / m3). To je tak vysoká hodnota, že magnetické systémy na nich založené mohou být vyrobeny podstatně menší nebo vybavené výrazně vyššími magnetickými energiemi ve srovnání s běžnými magnetickými materiály.
Mnoho high-tech produktů, jako jsou elektrické motory, mobilní telefony, lasery nebo LCD televizory, se spoléhá na vzácné zeminy. Například elektrické stroje mohou být provozovány buď se dvěma cívkovými systémy nebo s cívkou a permanentním magnetem. Synchronní stroje vybavené permanentními magnety představují speciální třídu elektromotorů nebo generátorů, které mohou vést k výrazným úsporám hmotnosti ve větrných turbínách.
„U konvenčních materiálů, jako je železo a měď, je však třeba akceptovat vysokou hmotnost,“ vysvětluje Dr. med. Gotthard Rieger, vedoucí výzkumu „Substituce materiálu a recyklace“ ve společnosti Siemens Corporate Technology (CT). Mnohem elegantnější je vybavit vnější rotor takové turbíny, která je odpovědná za „odposlouchávání“ rotační energie, tenkými neodymovými železo-borovými magnety, které indukují elektrické pole ve cívkách.
V konvenčním provedení masivní převod ve větrných turbínách přeměňuje relativně pomalou revoluci na rychlou, která pak generuje elektřinu v generátoru. Nové koncepce naopak předpokládají použití permanentních magnetů založených na vzácných zeminách k výrobě elektřiny přímo z pomalé rotace. Výhody: Převodovka je eliminována, šetří váhu a snižují se také náklady na údržbu, což je přínosem zejména pro offshore sektor.
Takové turbíny bez převodovky od společnosti Siemens již existují pro tři megawatty a také pro systém 6 MW. Jak je však již dnes zřejmé, že vzácné zeminy jsou vzácné, společnost Siemens zahájila projekt nových vysoce výkonných permanentních magnetů - bez cenných vzácných kovů. Například větrné turbíny s přímým pohonem se ve střednědobém horizontu dokážou obejít bez vzácných zemin (dysprosium). Již dnes by se mohl podíl snížit na 1%.
Řešení se nazývá nanotechnologie. Jednou z koncepcí tohoto projektu je navrhnout motory zcela bez Rare Earths. Dnes existují permanentní magnety na bázi oxidů železa s přídavkem dalších oxidů.
Problém: Tyto slinuté keramické magnety mají bez dalšího předběžného ošetření v průměru desetkrát menší energetický produkt než magnety vzácných zemin. Proto nejsou použitelné v mnoha aplikacích motorů a generátorů.
Aby se obešel bez vzácných zemin, tým společnosti Siemens pracuje na novém materiálu založeném na sloučenině železo-kobalt, ve kterém jsou magnetické tyče velikosti nanometrů fixovány v matrici jako perly perel. "Z těchto nanostruktur bychom mohli konkrétně vyrobit optimalizovaný permanentní magnet a vytvořit alternativu ke vzácným zeminám v dlouhodobějším horizontu," věří Rieger.
V Siemensu v Mnichově je první laboratorní zařízení, které syntetizuje a zkoumá takové nové magnetické materiály. „V zásadě je železo vynikajícím magnetickým materiálem,“ tvrdí expert Rieger. To, zda by energetický produkt těchto materiálů mohl dosáhnout nebo překonat to magnetů vzácných zemin, nelze v současnosti předvídat.
* Dr. Rolf Froböse je německý chemik, vědecký novinář a autor
Zdroj: www.elektronikpraxis.vogel.de
