Nano: Prosjektleder og forsker Stefano Deledda og forsker Matylda N. Guzik bruker nanoteknologi for å styrke magneter basert på ferritter. Ved hjelp av frysemøller og kulemøller forminsker de mikrokorn av jernlegering.

NANOPYME

De lager magnetene som skal redde verden fra Kina

SJELDNE JORDARTER

Bruksområder:

Ledninger, kabler: kobber, beryllium

Vindmøller: neodym (150-300 kg per megawatt)

Katalysatorer: cerium, lantan

Jetmotorer: niob, praseodym

Kretskort: kobber, tinn, sølv

Batterier: vanlig kobolt, nikkel, mangan

Batteri i hybrid/elektriske biler: nikkel, lantan, litium

Motor i hybrid/elektriske biler: neodym, tellur, dysprosium

LCD-skjerm: indium, yttrium, europium

Harddisker: kobolt, nikkel, bor, neodym

Mobil – ledninger, kretskort: kobber, magnesium, bly, gull, arsen, beryllium, platina, sølv

Mobil – batterier, kondensator: kobolt, litium, karbon, kvikksølv, kadmium, neodym, niob, tantal

Kilde: NGU

Nanopyme

Institutt for energiforskningens arbeid med utvikling av nye magneter inngår i forskningsprosjektet Nanopyme i EU. Prosjektet har som mål å redusere

behovet for og avhengigheten av disse sjeldne mineralene som Kina har

tilnærmet monopol på. Flere forskningsinstitusjoner og bedrifter i Europa er med i prosjektet.

Det suser og smeller i det som for den uinnvidde kan se ut som en overdimensjonert frityrkoker av den typen du synes er gøy å bruke én gang, for så å stue den vekk i boden fordi du ikke har plass på kjøkkenbenken.

Men man lager ingen fettdryppende herligheter med denne innretningen her på Institutt for energiteknikk (Ife) på Kjeller. Man moser i stedet allerede mikrosmå korn av jernforbindelser til noe enda mindre – til nanosmå magnetiske ferritter.

Målet er å utvikle magneter som kan svekke Kinas klamme grep om verdens teknologibedrifter – i det såkalte Nanopyme-prosjektet til EU.

Les også: Her testes radioaktiv betong  

Presser kinamonopol

– Prosjektet skal gjøre teknologibransjen mindre avhengig av Kinas markedsmonopol på sjeldne jordarter, sier seniorforsker og prosjektleder Stefano Deledda ved Ife.

Den prisvinnende journalisten Leif Hamnes fortalte under sin tid i Teknisk Ukeblad historien om hvordan Kina oversvømmet markedet med billigsalg av 17 tidligere dyrebare og «sjeldne» jordarter fra 90-tallet og utover.

Ikke bare skulle Kinas lave kostnader kvele det kommersielle grunnlaget for slik gruvedrift i nær sagt alle andre land. Landet investerte samtidig langsiktig i egen utvinnings- og raffineringskompetanse – mens konkurrentene i andre land la ned all drift, og dermed også utraderte egen kunnskap på feltet.

Les også: Verdens eldste reaktor av «Tsjernobyl-typen» igjen i drift

Frysemølle: Forskerne bruker ulike metoder for å få kornene av jernlegeringer ned på nanonivå. I denne frysemøllen bruker de flytende nitrogen og tromler kornene under lav temperatur.

Dominerer fullstendig

Kina kontrollerte i 2012 97 prosent av verdens gruveutvinning av sjeldne jordarter, råstoffer som en hel teknologiverden har gjort seg avhengig av – blant annet til permanente magneter som brukes i alt fra elektriske biler og mobiltelefoner til avanserte våpensystemer.

Vestlige land frykter at Kina skal bruke monopolet som et utenrikspolitisk maktmiddel – med god grunn. Kineserne truet med å strupe eksporten til Japan da en kinesisk fiskebåt i 2010 ble anholdt etter en kollisjon med to japanske marinefartøy.

Da det påfølgende prishysteriet nådde sin foreløpige topp på slutten av 2011, hadde eksempelvis prisen på dysprosium (finnes blant annet i brenselsstaver på kjernekraftverk) steget fra 150 til 3000 dollar per kilo.

Les også: Den perfekte julegave for ingeniøren?

EUs nanosvar

Flere land gjenåpner nå gamle gruver med sjeldne jordarter. Nanopyme-prosjektet er et annet svar på utfordringen.

Flere industribedrifter og forskningsinstitusjoner har her gått sammen for å finne en erstatning for magneter basert på grunnstoffer fra Kina. Ideen er at jernholdige forbindelser, såkalte ferritter, skal kunne dekke en del av markedet.

– Styrken er imidlertid svak sammenlignet med magneter basert på sjeldne jordarter. Vårt mål er å gjøre dem 20 til 30 prosent sterkere, sier Deledda.

Sammen med forskerkollega Matylda N. Guzik blander han ulike typer uhyre billige og lett tilgjengelige ferritter for å se hvordan det påvirker de magnetiske egenskapene. Den nevnte «frityrkokeren» er en såkalt kulemølle, og består av en roterende trommel med stålkuler. Stålkulene herjer med ferrittkornene, som på denne måten går fra en størrelse på mellom 15 og 200 mikrometer til noen hundre nanometer. I en annen maskin, en såkalt frysemølle, bruker de flytende nitrogen for å få ned størrelsen.

Når partiklene kommer ned i denne størrelsen øker koersiviteten, evnen til å motstå avmagnetisering, som igjen øker den magnetiske energien.

Les også: Bytter ut kull og diesel med solceller på Svalbard

Reaktoren målerKulemølle: I denne kulemøllen knuser stålkuler mikropartik­ler til nanopartikler.

Reaktoren måler

Atomreaktoren Jeep 2 på Kjeller er et unikt verktøy for forskerne når de skal «lese av» hvordan magnetene endrer seg.

Når reaktor-nøytroner, som selv har et magnetisk moment, treffer magnetkornene der atomene danner et velordnet mønster, blir nøytronene avbøyd og spredt i bestemte retninger. Dette spredningsmønsteret er et «fingeravtrykk» av den indre magnetiske og atomære strukturen i krystallen. Spesialbygde instrumenter måler spredningsmønsteret og dermed hvordan struktur kan endre magnetiske egenskaper.

– Det blir et «mikroskop» til å studere de magnetiske karakteristikkene, sier Matylda N. Guzik.

Les også:  Nå fjernes brenselstaver fra Fukushima

Skal bli elsykkel

Forskerne ligger godt an til å nå målene i det som er et uvanlig målrettet prosjekt for å korrigere en markedsskjevhet. Halvannet år har gått, like lang tid gjenstår.

Før et eventuelt produkt slippes i markedet, er målet å bygge en elsykkel med en motor basert på den nyutviklede magneten.

Forskerne sier at det vil bli en utfordring å skalere det som i dag skjer på nanonivå i pulverform til større, fungerende magneter i fast form.

En utfordring er også størrelsen i seg selv. De ferrittbaserte magnetene vil selv etter optimalisering i Nanopyme-prosjektet være større enn magneter basert på sjeldne jordarter. De vil derfor være uegnede i produkter der plass er en begrensning. Men selv om disse magnetene ikke vil erstatte alle typer magneter basert på sjeldne jordarter, vil det kunne berøre prisen.

I dag brukes de sjeldne jordartene i magneter der det fint kunne vært plass til en større ferittmagnet.

– Vindturbiner blir for eksempel stadig større. Det betyr mer bruk av sjeldne jordarter. Men når turbinene blir større, kunne man hatt plass til ferritter, fastslår Guzik.

Les også:

Regjeringen vil opprette forskningssenter for thorium  

– Norsk vannkraft bør erstatte svensk kjernekraft

Maneter stengte svensk atomkraftverk