Роторы кружатся на ветру и снабжают сети электричеством. Чтобы обеспечить максимально возможную безотказную работу установок и высокий выход энергии, последнее поколение все чаще оснащается мощными многотонными постоянными магнитами вместо коробки передач.
Эти магниты хорошо работают и в автомобилях: они позволяют многочисленным электрическим приводам, которые приводят в действие, например, дворники, быть меньше и легче. Электроприводы или серводвигатели расположены во многих положениях внутри автомобиля, везде, где нужно специально перемещать и размещать какие-либо предметы, будь то боковые окна или регулировка сиденья. Самые мощные магниты созданы на основе неодима, железа и бора. Также часто содержится диспрозий.
Проблема: хотя железо и бор легко доступны, поставка неодима и диспрозия имеет решающее значение. Потому что эти редкоземельные элементы можно получить только в сложных условиях и с большими затратами энергии. Поэтому они довольно дороги по сравнению с ними, и их приобретение оставляет после себя экологический след.
Кроме того, более 90 процентов этих элементов поступают из Китая. Здесь находится почти половина мировых запасов.Превращая старое в новоеПоэтому ученые пытаются переработать магниты.
До сих пор это означает: вы снова извлекаете редкоземельные элементы из магнитов. Однако это чрезвычайно трудоемко и дорого.
Ученые группы Fraunhofer Project Group по вторичной переработке материалов и ресурсным стратегиям IWKS в Альценау и Ханау из Института исследования силикатов им. Фраунгофера (ISC) теперь придерживаются другого подхода. «Вместо того, чтобы пытаться восстановить каждый отдельный тип редкоземельных элементов, мы сосредотачиваемся на переработке всего материала, то есть всего магнита — и это всего за несколько шагов», — объясняет Оливер Дил, ученый из проектной группы IWKS. «Этот процесс намного проще и эффективнее, потому что состав материала уже почти такой, каким должен быть».
Для переработки ученые полагаются на процесс формования из расплава — метод, уже опробованный и испытанный для других сплавов, также известный как «быстрое затвердевание». Название раскрывает метод: исследователи разжижают магнит в плавильном котле. Сжиженный материал, нагретый до температуры более 1000 градусов Цельсия, направляется через сопло на медное колесо с водяным охлаждением, которое вращается со скоростью от 10 до 35 метров в секунду. Как только расплавленная капля соприкасается с медью, она за доли секунды передает свое тепло металлу и затвердевает.
Образовавшиеся материальные образования ученые называют хлопьями. Особенностью является структура, образующаяся внутри хлопьев. Если бы расплавленному материалу дать затвердеть обычным образом, атомы «выстроились бы рядами» в кристаллической решетке.
Однако в процессе формования из расплава кристаллизации избегают: образуется либо аморфная структура, в которой атомы расположены совершенно нерегулярно, либо нанокристаллическая структура, в которой атомы располагаются в зернах нанометрового размера, образуя кристаллическую структуру. Преимущество: размер зерен — то есть области с одинаковой кристаллической структурой — можно специально варьировать. Их можно использовать для изменения свойств постоянного магнита. На следующем этапе исследователи измельчают хлопья в порошок, который затем можно обрабатывать. «Мы придаем ему окончательную форму», — говорит Диль.
Первый магнит успешно переработанУченые уже создали демонстрационный завод и сумели переработать магниты на нем. «Демонстрационная система может обрабатывать до полукилограмма расплавленного материала и находится где-то между лабораторией и крупномасштабным заводом», — поясняет Дил.
В настоящее время исследователи оптимизируют свойства переработанных магнитов, варьируя процесс прядения из расплава, например, скорость медного колеса или температуру расплавленного материала во время процесса быстрого затвердевания. Оба влияют на скорость охлаждения и, следовательно, также на кристаллическую структуру затвердевшего материала.Во многих случаях магниты очень трудно снять с двигателей.
Поэтому ученые разрабатывают потенциальные способы создания цикла сбора использованных двигателей, а также конструкцию, более подходящую для разборки: как можно было бы альтернативно сконструировать двигатели, чтобы облегчить удаление магнитов в будущем? Какие затраты будут понесены — это вопрос, на который в настоящее время трудно ответить: «Ожидаемое финансовое преимущество при переработке магнитов зависит не только от процесса переработки, но и от роста цен на редкоземельные элементы», — говорит Дил. «Чем выше цены на сырье для редкоземельных элементов, тем больше окупается переработка уже существующих материалов».