Sostituzione di terre rare mediante nanotecnologia
La richiesta di materiali più efficienti sta crescendo rapidamente. Poiché molte materie prime sono scarse, gli esperti Siemens stanno anche lavorando a strategie per la loro sostituzione, ad esempio utilizzando la nanotecnologia.
I prodotti verdi sono in aumento, come i magneti permanenti per i generatori nelle turbine eoliche. Si basano su metalli delle terre rare, un gruppo di elementi nella tavola periodica, come neodimio, praseodimio e disprosio.
Se combinati in modo ottimale, il loro prodotto energetico, la misura dell'energia magnetica immagazzinabile, supera i kilojoule 400 per metro cubo (kJ / m3). Questo valore è così elevato che i sistemi magnetici basati su di essi possono essere notevolmente ridotti o dotati di energie magnetiche significativamente più elevate rispetto ai materiali magnetici convenzionali.
Molti prodotti ad alta tecnologia come motori elettrici, telefoni cellulari, laser o televisori LCD si basano su terre rare. Ad esempio, le macchine elettriche possono essere azionate con due sistemi a bobina o con una bobina e un magnete permanente. Le macchine sincrone dotate di magneti permanenti rappresentano una classe speciale di motori o generatori elettrici e possono portare a un notevole risparmio di peso nelle turbine eoliche.
"Con materiali convenzionali come ferro e rame, tuttavia, deve essere accettato un peso elevato", spiega il dott. Med. Gotthard Rieger, Responsabile della ricerca "Sostituzione e riciclaggio dei materiali" presso Siemens Corporate Technology (CT). Molto più elegante è equipaggiare il rotore esterno di una tale turbina, che è responsabile della "intercettazione" dell'energia di rotazione, con sottili magneti al neodimio-ferro-boro, che inducono il campo elettrico nelle bobine.
Nella progettazione convenzionale, una trasmissione massiccia nelle turbine eoliche converte la rivoluzione relativamente lenta in una rivoluzione veloce, che quindi genera elettricità nel generatore. I nuovi concetti, d'altra parte, prevedono l'uso di magneti permanenti basati su terre rare per generare elettricità direttamente dalla rotazione lenta. I vantaggi: il cambio viene eliminato, fa risparmiare peso e anche i costi di manutenzione sono ridotti, il che è vantaggioso in particolare per il settore offshore.
Tali turbine senza ingranaggi di Siemens esistono già per tre megawatt e anche per un sistema 6 MW. Ma poiché è già chiaro oggi che le terre rare sono scarse, Siemens ha lanciato un progetto per nuovi magneti permanenti ad alte prestazioni - senza i preziosi metalli scarsi. Ad esempio, le turbine eoliche a trasmissione diretta saranno in grado di fare a meno di terre rare (disprosio) a medio termine e già oggi la percentuale potrebbe essere ridotta a 1%.
La soluzione si chiama nanotecnologia. Un concetto in questo progetto è quello di progettare motori completamente senza terre rare. Oggi ci sono magneti permanenti a base di ossidi di ferro con aggiunte di altri ossidi.
Il problema: questi magneti in ceramica sinterizzata hanno, senza ulteriore pretrattamento, in media un prodotto energetico dieci volte più piccolo dei magneti in terre rare. Pertanto non sono applicabili in molte applicazioni di motori e generatori.
Per fare a meno delle terre rare, un team di Siemens sta lavorando a un nuovo materiale basato su un composto ferro-cobalto, in cui aste magnetiche di dimensioni nanometriche sono fissate in una matrice come una serie di perle. "Da tali nanostrutture potremmo in particolare produrre un magnete permanente ottimizzato e creare un'alternativa alle terre rare a lungo termine", ritiene Rieger.
Alla Siemens di Monaco c'è una prima installazione di laboratorio per sintetizzare e studiare tali nuovi materiali magnetici. "In linea di principio, il ferro è un eccellente materiale magnetico", sostiene l'esperto Rieger. Al momento non è possibile prevedere se il prodotto energetico di questi materiali possa raggiungere o superare quello dei magneti in terre rare.
* Dr. Rolf Froböse è un chimico tedesco, giornalista scientifico e autore
Fonte: www.elektronikpraxis.vogel.de
