Sustitución de tierras raras por nanotecnología.
La demanda de materiales más eficientes está creciendo rápidamente. Como muchas materias primas son escasas, los expertos de Siemens también están trabajando en estrategias para su sustitución, por ejemplo, usando nanotecnología.
Los productos ecológicos están en aumento, como los imanes permanentes para generadores en turbinas eólicas. Se basan en metales de tierras raras, un grupo de elementos en la tabla periódica, como neodimio, praseodimio y disprosio.
Cuando se combina de manera óptima, su producto energético, la medida de la energía magnética almacenable, alcanza más de 400 kilojulios por metro cúbico (kJ / m3). Este es un valor tan alto que los sistemas magnéticos basados en ellos pueden hacerse sustancialmente más pequeños o equiparse con energías magnéticas significativamente más altas en comparación con los materiales magnéticos convencionales.
Muchos productos de alta tecnología como motores eléctricos, teléfonos móviles, láser o televisores LCD dependen de tierras raras. Por ejemplo, las máquinas eléctricas pueden funcionar con dos sistemas de bobina o con una bobina y un imán permanente. Las máquinas síncronas equipadas con imanes permanentes representan una clase especial de motores eléctricos o generadores, y pueden generar importantes ahorros de peso en las turbinas eólicas.
"Sin embargo, con materiales convencionales como el hierro y el cobre, se debe aceptar un peso elevado", explica el Dr. med. Gotthard Rieger, Jefe de Investigación "Sustitución y reciclaje de materiales" en Siemens Corporate Technology (CT). Mucho más elegante es equipar el rotor externo de dicha turbina, que es responsable de "aprovechar" la energía de rotación, con imanes delgados de neodimio-hierro-boro, que inducen el campo eléctrico en las bobinas.
En el diseño convencional, una transmisión masiva en turbinas eólicas convierte la revolución relativamente lenta en una rápida, que luego genera electricidad en el generador. Los nuevos conceptos, por otro lado, prevén el uso de imanes permanentes basados en tierras raras para generar electricidad directamente a partir de la rotación lenta. Los beneficios: se elimina la caja de cambios, ahorra peso y también se reducen los costos de mantenimiento, lo que beneficia en particular al sector offshore.
Tales turbinas sin engranajes de Siemens ya existen para un megavatio de tres y también para un sistema 6 MW. Pero como ya está claro hoy que las tierras raras son escasas, Siemens lanzó un proyecto para nuevos imanes permanentes de alto rendimiento, sin los valiosos metales escasos. Por ejemplo, las turbinas eólicas de transmisión directa podrán funcionar sin tierras raras (disprosio) en el mediano plazo. Hoy en día, la participación podría reducirse a 1%.
La solución se llama nanotecnología. Un concepto en este proyecto es diseñar motores completamente sin tierras raras. Hoy en día existen imanes permanentes basados en óxidos de hierro con adiciones de otros óxidos.
El problema: estos imanes de cerámica sinterizada tienen, sin pretratamiento adicional, en promedio un producto energético diez veces menor que los imanes de tierras raras. Por lo tanto, no son aplicables en muchas aplicaciones de motores y generadores.
Para prescindir de las tierras raras, un equipo de Siemens está trabajando en un nuevo material basado en un compuesto de hierro y cobalto, en el que las varillas magnéticas de tamaño nanométrico se fijan en una matriz como un collar de perlas. "A partir de tales nanoestructuras, podríamos producir específicamente un imán permanente optimizado y crear una alternativa a las tierras raras a largo plazo", cree Rieger.
En Siemens en Munich hay una primera configuración de laboratorio para sintetizar e investigar estos nuevos materiales magnéticos. "En principio, el hierro es un excelente material magnético", argumenta el experto Rieger. No se puede prever por el momento si el producto energético de estos materiales podría alcanzar o superar el de los imanes de tierras raras.
* Dr. Rolf Froböse es químico alemán, periodista científico y autor.
Fuente: www.elektronikpraxis.vogel.de
