Eólicos, Coches y bicis Eléctricos, Discos Duros, Auriculares etc dependen de las raras propiedades de tierras raras

Nuestra vida depende en un grado enorme de los motores eléctricos.  En el motor, interaccionan Campos Magnéticos, y Cables que transportan corriente eléctrica para generar fuerzas y transformar la energía eléctrica en energía mecánica.

El proceso contrario, transformar energía mecánica (movimiento) en energía eléctrica depende del mismo proceso, son los Generadores, y a los dos tipos se les llama  máquinas eléctricas. Hay una enorme variedad, no de todas se extrae movimiento pero todas dependen de imanes y en el caso de las tecnologías modernas, de imanes muy potentes y de pequeño tamaño.

A la derecha un motor Corriente Continua a escobillas, marcadas las polaridades internas de los dos imanes permanentes.

Materiales magnéticos.  La creación de fuertes campos magnéticos de atracción y repulsión depende de la orientación de los átomos del material, como si fueran atómicas brújulas se pueden orientar en el mismo sentido, o más bien los electrones de las capas exteriores se orientan con el mismo spin.  Unos materiales son mucho mejores que otros y destaca el Hierro, que puede alcanzar valores de magnetización de un millón de Amperios/metro

En el Siglo XIX cuando empieza la saga de los motores y generadores y transformadores eléctricos obviamente se empieza por usar enormes masas de hierro magnetizable, y continúan así.

Ferrita. Forma cristalina del hierro, creada en ciertas condiciones y que ha sido muy mejorada por la técnica. Son los imanes cerámicos a menudo fabricados a partir de polvos y horneados a su forma.

Toroide de Ferrita bobinado para transformador

La primera mejora sobre la ferrita fue el alnico, o sea aleación de aluminio, níquel y cobalto. Las ferritas más que doblaban el campo magnético permanente que tenían, el alnico volvió a multiplicar por dos esa magnetización.

El desarrollo de alnico comenzó en 1931, cuando T. Mishima en Japón descubrió que una aleación de hierro, níquel, aluminio  tenía una coercitividad magnética (resistencia a la pérdida de magnetismo) de 400 Oersted, el doble de los mejores aceros de imán de la época.

Los imanes de alnico pueden producir fuerzas del campo magnético en sus polos tan altas como 1500 gauss (0,15 tesla) o alrededor de 3000 veces la fuerza del campo magnético de la Tierra.

Imanes de Tierras Raras.  El siguiente paso en mejorar aún más los imanes y mecanismos dependientes de los imanes fue el desarrollo de imanes aleaciones de elementos del grupo de los lantánidos, sobre los que ya tenemos algo escrito.

Estos imanes pueden producir campos magnéticos de incluso 1,5 tesla, muy superiores a los Alnicos, pero a cambio exhiben debilidades físicas, muy sensibles al calentamiento y a la corrosión, y muy quebradizos; esto se soluciona con cubiertas apropiadas.

The magnetic field typically produced by rare-earth magnets can be in excess of 1.4 teslas, whereas ferrite or ceramic magnets typically exhibit fields of 0.5 to 1 tesla.

Hay en los imanes a tierras raras a grandes rasgos dos grupos, el Neo y el Samario, aunque no hay fronteras claras entre ellos

There are two types: neodymium magnets and samarium-cobalt magnets.

Hacia los años 90 ya los imanes Neo son tan potentes que un pequeño imán del tamaño de la uña puede generar campos magnéticos más fuertes que el núcleo de hierro fundido de la Tierra !  A temperatura ambiente son los imanes más potentes, PERO son extremadamente sensibles al calentamiento, y por tanto no valen para motores y generadores donde altas temperaturas son normales.

Aquí entra el Disprosio, otra tierra rara y unos pocos átomos de disprosio mejoran la estabilidad térmica.

El nombre de Tierras Raras es un poco engañoso, no son escasas son tan abundantes como el Plomo, pero sus propiedades químicas peculiares les mereció este nombre por los químicos, las bautizaron así porque son difíciles de separar unas de otras, «raras», por lo tanto.

Un diagrama de la abundancia de elementos en la corteza terrestre (eje vertical) en función del Número Atómico. Las Tierras Raras aparecen en azul, el grupo del Oro y metales preciosos en la banda amarilla. Más detalles químicos en el artículo   La Crisis de las Tierras Raras   .

El Neo.   Neodymium magnet   Los imanes a Neodimio son extremadamente potentes y no son caros; son tan potentes que pueden causar accidentes graves, roturas de huesos, en algunos casos la muerte si se ingieren al perforar el intestino.  Están hechos de una aleación de Neodimio- Hierro – Boro (Nd2Fe14B).

Y así llegó una revolución al combinar pequeño tamaño y fuerza magnética intensa: los motores de nuestros discos duros, de unidades  de CD y DVDs, los increibles campos magnéticos de aparatos de medicina como los MRI y scanners, en altavoces y micrófonos y en un sinfín de aplicaciones.

El Factor China.  Como explico en el artículo citado,    La Crisis de las Tierras Raras , el problema es que casi el único productor mundial es China, y como la industria china necesita estos elementos no exporta o exporta caro hacia otros países

Es la enorme demanda de estos elementos Neodimio y Disprosio por los generadores eólicos, los coches eléctricos y bicicletas eléctricas que dispara la demanda. un eólico de 1 Megawatt necesita en sus imanes 600 kilos de estos elementos.  La demanda de imanes potentes y livianos en los vehículos también es alta en peso, y luego está la necesidad menor en ordenadores y otros aparatos, un ordenador contiene unos 50 gramos de imanes, una pequeña cantidad pero que multiplicada por tantos millones de aparatos ha generado una brutal demanda.

Para el 2015, o sea ya, la demanda va a superar a la oferta -y eso sin contar el mercado negro en China y otras partes.

Algo puede ayudar una nueva mina que entra en explotación  en California y otras nuevas en Australia, pero aunque esos yacimientos tienen Neodimio, no tienen Disprosio, y sólo lo produce China, y el Disprosio es imprescindible para dar estabilidad al Neo.

Un tema está en que los chinos, que no mascan vidrio precisamente, en vez de exportar Tierras Raras exigen que les compren los imanes hechos con ellas, e incluso los productos terminados, o no lo venden.  Y es lógico, porqué les tienen que dar oportunidades a los pueblos occidentales que siempre los han explotado todo lo que han podido.

☼ Reaccionando, los EEUU por el DoE, Departament of Energy, lanzan un programa que tiene el significativo nombre  REACT, for «Rare Earth Alternatives in Critical Technologies«, dotando a la investigación con 22 millones de dólares para que busquen modo de usar lo menos posible de Tierras Raras  -y a ser posible ninguna !

El mineral que vino del espacio.  Una posibilidad es fabricar estructuras ordenadas de los elementos Hierro y Níquel, en capas organizadas, tal es la tetraenita.  El problema es que la fusión de estos elementos y la disposición en esta estructura natural tarda millones de años, y las únicas taenitas conocidas son de meteoritos. El nombre se deriva del griego taenia, o sea cinta, tenia -sí, como en la Taenia saginata.

Taenite

The name is derived from the Greek ταινία for «band, ribbon». Taenite is a major constituent of iron meteorites.  Taenite is one of four known Fe-Ni meteorite minerals: The others are kamacite, tetrataenite, and antitaenite.

Sería poco menos que un milagro lograr en minutos formar estructuras en capas ordenadas que en la naturaleza tardaron mil millones de años, por lento enfriamiento.

Cerio.  El más abundante de las Tierras Raras, cambiaría totalmente la economía de estos materiales pues es fácil de separar, abundante y barato, PERO no es estable a altas temperaturas, aunque se tiene esperanzas de que dopando con otros elementos mejore su propiedad.  No puede producir imanes tan potentes como el Neo o los de Disprosio, pero esto puede ser una buena cosa, ya que entre las ferritas y el (muy caro) Neo hay una banda de trabajo muy útil, imanes con Cerio podrían llenar esta demanda y a bajo precio.

La mejora de Ferritas con Cerio es la meta, pero no hay todavía productos confiables.

☼  Carbono. Agregar carbono al hierro o al acero disminuye su magnetismo, pero si es en granos microscópicos, nanomateriales, en realidad todo cambia a esa escala y se logran potentes materiales magnéticos.  Esta es una técnica prometedora, que todavía no ha logrado ningún producto viable, o sea que quizás a 10 años vista, y con suerte; de ninguna manera para el 2015.

CONCLUSIÓN.  Aunque estas investigaciones avanzan no van a solucionar el problema muy pronto, así que el mundo se va a encontrar con otra crisis para ya mismo, otra más.

La importancia de los imanes en motores, generadores y tantos aparatos de tecnología moderna es tan grande que nuestra civilización depende para su sostén y no digamos la expansión de fuentes baratas de tierras raras, en este estado de la técnica y que no puede cambiar con rapidez.

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Para saber más

Ferrite (magnet)

Alnicos (en Inglés)

Rare-Earth Magnets

La Crisis de las Tierras Raras

 Types of magnets

Ferromagnetic materials

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Por Armando

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