Σύνταξη – επιμέλεια: Στέλιος Βασιλούδης
Οι σπάνιες γαίες χρησιμοποιούνται στην κατασκευή των πάντων, από ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης μέχρι ηλεκτρικά οχήματα, ανεμογεννήτριες και μαχητικά αεροσκάφη – και η Κίνα ελέγχει την αλυσίδα εφοδιασμού. Συνακόλουθα οι χώρες της Δύσης αναζητούν εναλλακτικές λύσεις που θα μπορούσαν να βοηθήσουν στη μείωση της εξάρτησής τους από την Κίνα.
Πριν από εβδομήντα χρόνια, οι ΗΠΑ ήταν ο μεγαλύτερος παραγωγός μαγνητών από σπάνιες γαίες στον κόσμο. Όμως στις αρχές αυτού του αιώνα, οι τελευταίοι παραγωγοί των πιο ισχυρών εμπορικών μαγνητών της χώρας πούλησαν τις επιχειρήσεις τους, κλειδώνοντας την κυριαρχία του Πεκίνου σε αυτήν την κρίσιμη αγορά.
Το 2010, ο κόσμος συνειδητοποίησε τη σκοτεινή πραγματικότητα του ελέγχου της Κίνας στις σπάνιες γαίες και την παραγωγή μόνιμων μαγνητών. Μετά από μια εδαφική διαμάχη με την Ιαπωνία το Πεκίνο επέβαλε την προσωρινή απαγόρευση εξαγωγών σπάνιων γαιών στη χώρα.
Η κίνηση προκάλεσε κύματα ανησυχίας στην αλυσίδα εφοδιασμού καθώς η τιμή των μαγνητών εκτινάχθηκε στα ύψη, οδηγώντας αρκετές χώρες να εξετάσουν την εξάρτησή τους από τα κινεζικά ορυκτά σε ορισμένους βασικούς τομείς.
Όμως η μεγάλη ζήτηση για μόνιμους μαγνήτες σπάνιων γαιών, που χρησιμοποιούνται σε οτιδήποτε, από κινητά τηλέφωνα, ηλεκτρικά αυτοκίνητα και ανεμογεννήτριες μέχρι αμυντικά συστήματα, έχει καταστήσει δύσκολη την επίτευξη αυτού του στόχου. Τον Απρίλιο του τρέχοντος έτους, το Πεκίνο ενίσχυσε τους ελέγχους των εξαγωγών του σε μαγνήτες και επτά στοιχεία σπάνιων γαιών, τρία από τα οποία – το σαμάριο, το δυσπρόσιο και το τέρβιο – χρησιμοποιούνται επίσης συχνά για την κατασκευή μαγνητών. Σύμφωνα με έκθεση του 2022 του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ, η Αμερική αντιπροσώπευε το 16% της συνολικής παγκόσμιας παραγωγής ορυκτών σπάνιων γαιών το 2020, ενώ η Κίνα το 60%.
Οι σπάνιες γαίες προτιμούνται στην κατασκευή μαγνητών λόγω της αποτελεσματικότητάς τους, αλλά ερευνητές σε όλο τον κόσμο προσπαθούν να αναπτύξουν μαγνήτες χωρίς σπάνιες γαίες ως μέρος της προσπάθειας να μειώσουν την εξάρτηση από τους κινεζικούς μόνιμους μαγνήτες.
«Είναι ζωτικής σημασίας για τις Ηνωμένες Πολιτείες να μειώσουν την εξάρτησή τους από την Κίνα για μαγνήτες σπάνιων γαιών», δήλωσε ο Roderick Eggert, καθηγητής ερευνητής στο Colorado School of Mines και αναπληρωτής διευθυντής του Critical Materials Innovation Hub, μιας ερευνητικής κοινοπραξίας που ιδρύθηκε από το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ. «Μια προσέγγιση είναι οι μαγνήτες χωρίς σπάνιες γαίες που βασίζονται σε υλικά διαθέσιμα εκτός Κίνας», πρόσθεσε.
Οι μόνιμοι μαγνήτες μπορούν να δημιουργήσουν ένα σταθερό μαγνητικό πεδίο χωρίς την ανάγκη εξωτερικής πηγής ενέργειας. Χρησιμοποιούνται σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, από καθημερινά είδη όπως τηλέφωνα και επαγωγικές κουζίνες έως ηλεκτρικούς κινητήρες και ζωτικής σημασίας ιατρικές συσκευές, όπως μηχανήματα μαγνητικής τομογραφίας.
Οι μαγνήτες είναι γνωστοί στην ανθρωπότητα από την αρχαιότητα. Οι πρώτες μαρτυρίες σημείωσαν τις ιδιότητες του «μαγνήτη λίθου» – φυσικά μαγνητισμένα κομμάτια του ορυκτού μαγνητίτη – που οι Κινέζοι εφευρέτες χρησιμοποίησαν αργότερα για να αναπτύξουν την πυξίδα πριν από περίπου 2.000 χρόνια. Οι μόνιμοι μαγνήτες χωρίζονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες: σε αυτούς που κατασκευάζονται με σπάνιες γαίες και σε αυτούς που κατασκευάζονται από κράματα άλλων μετάλλων, συμπεριλαμβανομένου του σιδήρου, του κοβαλτίου και του νικελίου.
Τα στοιχεία σπανίων γαιών είναι μια ομάδα 17 χημικά όμοιων μεταλλικών στοιχείων που είναι αρκετά κοινά στον φλοιό της Γης, αλλά είναι άνισα κατανεμημένα και δύσκολο να εξαχθούν και να εκκαθαριστούν. Η Κίνα δεν είναι μόνο ο μεγαλύτερος παραγωγός σπάνιων γαιών στον κόσμο. Η κυριαρχία της στην παγκόσμια αγορά αυξάνεται μόλις αυτές υποβληθούν σε επεξεργασία και εξευγενιστούν, σύμφωνα με το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ.
Αυτό περιλαμβάνει την παραγωγή μόνιμων μαγνητών, όπου η Κίνα αντιπροσωπεύει περισσότερο από το 90% της παραγωγής.
Όσον αφορά τους μαγνήτες νεοδυμίου – τους ισχυρότερους εμπορικούς μόνιμους μαγνήτες στην αγορά – το παγκόσμιο μερίδιο της Κίνας ήταν 92% το 2020, σε σύγκριση με μόλις 1% για τις ΗΠΑ. Αυτοί κατασκευάζονται χρησιμοποιώντας ένα κράμα νεοδυμίου σπανίων γαιών με σίδηρο και βόριο – κάτι που ανακαλύφθηκε σχεδόν συγχρόνως από την General Motors (GM) και τη Sumitomo Special Metals της Ιαπωνίας στις αρχές της δεκαετίας του 1980.
Ωστόσο, η GM πούλησε αργότερα τη θυγατρική της Magnequench – η οποία ειδικευόταν στην τεχνολογία – σε Κινέζους αγοραστές με αποτέλεσμα το τελευταίο της αμερικανικό εργοστάσιο να κλείσει στις αρχές της δεκαετίας του 2000 με μετατόπιση της παραγωγής στην Ασία.
Το 2011, ο Donald Manzullo, τότε Ρεπουμπλικανός βουλευτής, είπε σε ακρόαση για την κυριαρχία των σπάνιων γαιών της Κίνας, ότι η πώληση ήταν «η τελευταία πράξη στην αμερικανική τραγωδία» και προειδοποίησε ότι «δεν υπήρχε σχεδόν καμία επίγνωση της σοβαρότητας αυτής της κρίσης».
Ο J. Ping Liu, καθηγητής στο Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Άρλινγκτον, είπε ότι φαίνεται πως οι πολιτικοί συνειδητοποιούν όλο και περισσότερο τη σημασία των μαγνητών λόγω της ανάγκης αυτής της τεχνολογίας για πράσινη ενέργεια, ηλεκτρικά οχήματα και άλλες εφαρμογές.
Πρόσθεσε ότι οι σπάνιες γαίες δεν είναι τόσο σπάνιες σε σύγκριση με πολλά άλλα μεταλλικά στοιχεία που χρησιμοποιούνται σήμερα, όμως το πλεονέκτημα της Κίνας στην αγορά μαγνητών δεν βασίζεται μόνο στα αποθέματά της, αλλά στη «συνεχή έρευνα και ανάπτυξη επί δεκαετίες, ενώ άλλες χώρες εγκατέλειψαν τη δουλειά τους σε αυτόν τον τομέα». Η απαγόρευση των εξαγωγών στην Ιαπωνία το 2010 προκάλεσε «πανικό», ειδικά στην αυτοκινητοβιομηχανία, σύμφωνα με τον Tatsuya Terazawa, διευθύνοντα σύμβουλο του Ινστιτούτου Ενεργειακής Οικονομίας της Ιαπωνίας.
Γράφοντας στον ιστότοπο του ινστιτούτου πριν από δύο χρόνια, είπε ότι αυτό ώθησε την Ιαπωνία να αναζητήσει τρόπους για να βρει εναλλακτικά υλικά, τα οποία μείωσαν την εξάρτηση της Ιαπωνίας από τις κινεζικές σπάνιες γαίες από το 90% των προμηθειών στο 60%. «Παρά την ύπαρξη μιας σειράς διπλωματικών προβλημάτων με την Κίνα μετά το περιστατικό, αυτές οι πρόοδοι έχουν αναμφισβήτητα προστατεύσει την Ιαπωνία από το να αποτελέσει στόχο άλλου εμπάργκο», είπε ο Terazawa.
Εν τω μεταξύ, το 2011 στις ΗΠΑ το Advanced Research Projects Agency – Energy, ανακοίνωσε ότι θα χρηματοδοτούσε 14 έργα στο πλαίσιο του προγράμματος Rare Earth Alternatives in Critical Technologies. Αυτό επικεντρώθηκε σε οικονομικά αποδοτικές εναλλακτικές λύσεις αντί των υλικών σπάνιων γαιών, ιδιαίτερα για χρήση σε ηλεκτρικά οχήματα και ανεμογεννήτριες, αλλά η χρηματοδότηση στο πρόγραμμα έληξε το 2016.
Ορισμένα ιδρύματα των ΗΠΑ, συμπεριλαμβανομένου του Εθνικού Εργαστηρίου Ames, το οποίο χρηματοδοτείται από το Υπουργείο Ενέργειας, συνέχισαν να αναπτύσσουν μαγνήτες χωρίς σπάνιες γαίες. Τον Απρίλιο, το εργαστήριο ανακοίνωσε ότι οι επιστήμονες του ανέπτυξαν έναν μαγνήτη χρησιμοποιώντας μαγγάνιο και βισμούθιο που θα μπορούσε να διατηρήσει τον μαγνητισμό του σε υψηλές θερμοκρασίες.
Η αμερικανική εταιρεία Niron Magnetics δημιούργησε επίσης έναν μαγνήτη νιτριδίου σιδήρου, ο οποίος σύμφωνα με την εταιρεία λειτουργεί εξαιρετικά σε θερμοκρασίες μέχρι 200 βαθμούς Κελσίου. Ο διευθύνων σύμβουλος της εταιρείας, Jonathan Rowntree, είπε ότι αυτοί θα μπορούσαν να αντικαταστήσουν τους μαγνήτες νεοδυμίου – σιδήρου – βορίου, οι οποίοι επίσης λειτουργούν καλύτερα σε αυτό το εύρος θερμοκρασίας.
Η Ευρωπαϊκή Ένωση χρηματοδοτεί έρευνα σε μια προσπάθεια να μειώσει την εξάρτησή της στο πλαίσιο του έργου Passenger (Pilot Action for Securing a Sustainable European Next Generation of Efficient RE-free magnets), το οποίο επικεντρώνεται σε ευρέως διαθέσιμα ορυκτά στην Ευρώπη. Το έργο συγκεντρώνει 21 εταίρους από οκτώ χώρες – συμπεριλαμβανομένων της Ισπανίας, της Γερμανίας και της Βρετανίας – που επιδιώκουν να αναπτύξουν μαγνήτες που να μπορούν να αποδώσουν καλά σε υψηλές θερμοκρασίες, να αντιστέκονται στη διάβρωση και να ανακυκλώνονται εύκολα.
Ως μέρος του έργου, ερευνητές από το πανεπιστήμιο TU Darmstadt της Γερμανίας, ανέπτυξαν έναν μαγνήτη μαγγανίου, αλουμινίου και άνθρακα που μπορεί να παραχθεί με χαμηλού κόστους και δυνητικά επεκτάσιμες τεχνικές κατασκευής και να χρησιμοποιηθεί σε εφαρμογές όπως ηλεκτρικά ποδήλατα και κινητήρες αντλιών νερού.
Αυτοί οι μαγνήτες δεν κατασκευάστηκαν για να αντικαταστήσουν τους μαγνήτες σπάνιων γαιών υψηλής απόδοσης, αλλά θα μπορούσαν μάλλον να χρησιμοποιηθούν ως «μαγνήτες κενού» για εφαρμογές όπου δεν απαιτείται κορυφαία απόδοση, σύμφωνα με μια ανάρτηση ιστολογίου στον ιστότοπο Passenger. «Σχεδόν σίγουρα, νέοι τύποι μαγνητών χωρίς σπάνιες γαίες θα γίνουν εμπορικά διαθέσιμοι τα επόμενα πέντε χρόνια περίπου», είπε ο Eggert. «Για να συμβεί αυτό, οι κατασκευαστές πρέπει να πάρουν μαγνητικά υλικά που είναι πολλά υποσχόμενα στο εργαστήριο και να αποδείξουν ότι μπορούν να παραχθούν σε κλίμακα και μπορούν να ικανοποιήσουν τις απαιτήσεις των πελατών – σε κόστος ανταγωνιστικό με τους υπάρχοντες μαγνήτες από την Κίνα», πρόσθεσε.
Όμως σε βιομηχανίες όπως η αεροδιαστημική, η ενέργεια και η ιατρική, οι μαγνήτες σπάνιων γαιών που μπορούν να λειτουργούν σε υψηλότερες θερμοκρασίες εξακολουθούν να έχουν το πλεονέκτημα. Σύμφωνα με τον Liu πάντως, οι μαγνήτες χωρίς σπάνιες γαίες είχαν χωρητικότητα «πολύ χαμηλότερη» από αυτή των μαγνητών που χρησιμοποιούσαν σπάνιες γαίες «στις περισσότερες προηγμένες εφαρμογές» και δεν μπορούν να τους αντικαταστήσουν.
Μία από τις μεγαλύτερες προκλήσεις με την ανάπτυξη μαγνητών χωρίς σπάνιες γαίες είναι η περιορισμένη ικανότητα τους να αντιστέκονται στον απομαγνητισμό όταν εκτίθενται σε εξωτερικό μαγνητικό πεδίο ή υψηλές θερμοκρασίες, όπως αυτές που συναντώνται στους βιομηχανικούς κινητήρες. Ο Liu είπε: «Απαιτείται πιο συστηματική ερευνητική εργασία για να κατανοηθούν οι περιορισμοί αυτοί σε μια ποικιλία μαγνητικών υλικών. Είναι σαφές για μένα ότι υπάρχει ακόμη αρκετός χώρος για ενίσχυση και βελτίωση της ικανότητας αντίστασης στον απομαγνητισμό σε διάφορους νέους μαγνήτες στο εγγύς μέλλον», συνέχισε.
Ορισμένοι ερευνητές στρέφονται στην τεχνητή νοημοσύνη για να αναπτύξουν εναλλακτικές λύσεις, χρησιμοποιώντας την τεχνολογία για να μειώσουν τον χρόνο που απαιτείται για τον έλεγχο για νέα κράματα μετάλλων. Το 2023, το Εθνικό Εργαστήριο Ames ανακοίνωσε ότι οι επιστήμονες του είχαν χρησιμοποιήσει ένα μοντέλο μηχανικής μάθησης για να ανακαλύψουν νέους συνδυασμούς για μόνιμους μαγνήτες προβλέποντας τη θερμοκρασία Curie τους, το σημείο όπου το σιδηρομαγνητικό υλικό χάνει τις ιδιότητες του μόνιμου μαγνήτη.
Πέρυσι, σε συνεργασία με το Ινστιτούτο Henry Royce – εθνικό ινστιτούτο έρευνας προηγμένων υλικών της Βρετανίας – και το Πανεπιστήμιο του Σέφιλντ, η τεχνολογική εταιρεία Materials Nexus χρησιμοποίησε μια πλατφόρμα AI για να σχεδιάσει και να δημιουργήσει έναν μαγνήτη χωρίς σπάνια γαίες σε μόλις τρεις μήνες. Η εταιρεία είπε σε μια ανάρτηση της στα μέσα κοινωνικής δικτύωσης, ότι αυτό αποδείχθηκε 200 φορές ταχύτερο από τις «παραδοσιακές τεχνικές δοκιμής – λάθους». Ο Eggert επεσήμανε ότι υπήρχαν άλλοι τρόποι για να μειωθεί η εξάρτηση από την Κίνα, συμπεριλαμβανομένης της ανάπτυξης αλυσίδων εφοδιασμού εκτός Κίνας ή της χρήσης σπάνιων γαιών που βρίσκονταν πιο εύκολα αλλού.
Οι μαγνήτες σπάνιων γαιών θα μπορούσαν επίσης να ανακυκλωθούν, να ανακαινιστούν, να ανακατασκευαστούν ή να επαναχρησιμοποιηθούν, ενώ οι κινητήρες θα μπορούσαν ενδεχομένως να ανασχεδιαστούν για να χρησιμοποιούν υπάρχοντες μαγνήτες χωρίς σπάνιες γαίες ή ακόμη και καθόλου μαγνήτες.
«Σχεδόν σίγουρα στο μέλλον θα υπάρξει ένας συνδυασμός αυτών των προσεγγίσεων που θα επικρατήσει», κατέληξε ο Eggert.
