Замена редкоземельных элементов с использованием нанотехнологий
Спрос на более эффективные материалы быстро растет. Поскольку многие сырьевые материалы являются дефицитными, эксперты Siemens также работают над стратегиями их замены - например, с использованием нанотехнологий.
Растут экологически чистые продукты, такие как постоянные магниты для генераторов в ветряных турбинах. Они основаны на редкоземельных металлах, группе элементов в периодической таблице, таких как неодим, празеодим и диспрозий.
При оптимальном сочетании их энергетический продукт, мера хранимой магнитной энергии, достигает 400 килоджоулей на кубический метр (кДж / м3). Это настолько высокое значение, что магнитные системы на их основе могут быть сделаны значительно меньше или оснащены значительно более высокими магнитными энергиями по сравнению с обычными магнитными материалами.
Многие высокотехнологичные продукты, такие как электродвигатели, мобильные телефоны, лазеры или ЖК-телевизоры, используют редкие земли. Например, электрические машины могут работать с двумя системами катушек или с катушкой и постоянным магнитом. Синхронные машины, оснащенные постоянными магнитами, представляют собой особый класс электродвигателей или генераторов, которые могут привести к значительной экономии веса в ветряных турбинах.
«Однако при использовании традиционных материалов, таких как железо и медь, большой вес необходимо принимать», - объясняет доктор мед. Готард Ригер, руководитель отдела исследования материалов "Замена материалов и переработка" в Siemens Corporate Technology (CT). Гораздо более элегантно оборудовать внешний ротор такой турбины, которая отвечает за «отвод» энергии вращения, тонкими неодим-железо-борными магнитами, которые индуцируют электрическое поле в катушках.
В обычной конструкции массивная передача в ветряных турбинах преобразует относительно медленный оборот в быстрый, который затем генерирует электричество в генераторе. Новые концепции, с другой стороны, предусматривают использование постоянных магнитов на основе редкоземельных элементов для выработки электроэнергии непосредственно из медленного вращения. Преимущества: исключена коробка передач, она экономит вес, а также снижаются расходы на техническое обслуживание, что особенно выгодно для оффшорного сектора.
Такие безредукторные турбины Siemens уже существуют для трех мегаватт, а также для системы 6 MW. Но поскольку сегодня уже ясно, что редкоземельных элементов мало, компания Siemens запустила проект создания новых высокопроизводительных постоянных магнитов - без ценных дефицитных металлов. Например, ветротурбины с прямым приводом смогут обойтись без каких-либо редкоземельных элементов (диспрозия) в среднесрочной перспективе, и уже сегодня эта доля может быть снижена до 1%.
Решение называется нанотехнологией. Одной из концепций этого проекта является разработка двигателей без использования редкоземельных элементов. Сегодня существуют постоянные магниты на основе оксидов железа с добавками других оксидов.
Проблема: эти спеченные керамические магниты имеют без дополнительной предварительной обработки в среднем в десять раз меньший энергетический продукт, чем редкоземельные магниты. Поэтому они не применимы во многих применениях двигателей и генераторов.
Чтобы обойтись без редкоземельных элементов, команда Siemens работает над новым материалом на основе соединения железо-кобальт, в котором магнитные стержни нанометрового размера закреплены в матрице, похожей на жемчужную нить. «Из таких наноструктур мы могли бы специально создать оптимизированный постоянный магнит и создать альтернативу редкоземельным элементам в долгосрочной перспективе», - считает Ригер.
В Siemens в Мюнхене существует первая лабораторная установка для синтеза и исследования таких новых магнитных материалов. «В принципе, железо является отличным магнитным материалом», - утверждает эксперт Ригер. В настоящее время невозможно предвидеть, может ли продукт энергии этих материалов достигать или превосходить энергию редкоземельных магнитов.
* Доктор Рольф Фробезе - немецкий химик, научный журналист и автор
Источник: www.elektronikpraxis.vogel.de
