Substituição de terras raras por nanotecnologia
A demanda por materiais mais eficientes está crescendo rapidamente. Como muitas matérias-primas são escassas, os especialistas da Siemens também estão trabalhando em estratégias para sua substituição - por exemplo, usando a nanotecnologia.
Produtos verdes estão em ascensão, como ímãs permanentes para geradores em turbinas eólicas. Eles são baseados em metais de terras raras, um grupo de elementos da tabela periódica, como neodímio, praseodímio e disprósio.
Quando otimamente combinados, o seu produto energético, a medida da energia magnética armazenável, atinge mais de 400 quilojoules por metro cúbico (kJ / m3). Este é um valor tão alto que os sistemas magnéticos baseados neles podem ser substancialmente menores ou equipados com energias magnéticas significativamente maiores em comparação com os materiais magnéticos convencionais.
Muitos produtos de alta tecnologia, como motores elétricos, telefones celulares, lasers ou televisões de LCD, contam com terras raras. Por exemplo, máquinas elétricas podem ser operadas com dois sistemas de bobina ou com uma bobina e um ímã permanente. Máquinas síncronas equipadas com ímãs permanentes representam uma classe especial de motores elétricos ou geradores, o que pode levar a uma significativa redução de peso em turbinas eólicas.
"Com materiais convencionais, como ferro e cobre, no entanto, um alto peso deve ser aceito", explica Dr. Med. Gotthard Rieger, Chefe de Pesquisa "Substituição e Reciclagem de Material" na Siemens Corporate Technology (CT). Muito mais elegante é equipar o rotor externo de tal turbina, que é responsável por "escutas" da energia rotacional, com magnéticos ímãs de neodímio-ferro-boro, que induzem o campo elétrico nas bobinas.
No projeto convencional, uma transmissão maciça em turbinas eólicas converte a revolução relativamente lenta em uma rápida, que gera eletricidade no gerador. Os novos conceitos, por outro lado, prevêem o uso de ímãs permanentes baseados em terras raras para gerar eletricidade diretamente da rotação lenta. Os benefícios: A caixa de velocidades é eliminada, poupa peso e os custos de manutenção são reduzidos, o que beneficia em particular o setor offshore.
Tais turbinas sem engrenagem da Siemens já existem para um megawatt de três megawatts e também para um sistema 6 MW. Mas como já é claro hoje que as terras raras são escassas, a Siemens lançou um projeto para novos ímãs permanentes de alto desempenho - sem os valiosos metais escassos. Por exemplo, as turbinas eólicas de acionamento direto serão capazes de fazer sem terras raras (disprósio) no médio prazo. Hoje, a participação pode ser reduzida para 1%.
A solução é chamada de nanotecnologia. Um conceito neste projeto é projetar motores completamente sem terras raras. Hoje existem ímãs permanentes baseados em óxidos de ferro com adição de outros óxidos.
O problema: Esses ímãs cerâmicos sinterizados têm, sem pré-tratamento adicional, em média, um produto energético dez vezes menor do que os ímãs de terras raras. Eles não são, portanto, aplicáveis em muitas aplicações de motores e geradores.
A fim de fazer sem terras raras, uma equipe da Siemens está trabalhando em um novo material baseado em um composto de ferro-cobalto, no qual hastes magnéticas do tamanho de nanômetros são fixadas em uma matriz como uma série de pérolas. "De tais nanoestruturas poderíamos produzir especificamente um imã permanente otimizado e criar uma alternativa para as terras raras a longo prazo", acredita Rieger.
Na Siemens, em Munique, há uma primeira instalação de laboratório para sintetizar e investigar esses novos materiais magnéticos. "Em princípio, o ferro é um excelente material magnético", argumenta o especialista Rieger. Se o produto energético destes materiais pode atingir ou ultrapassar o dos magnetos de terras raras, não pode ser previsto no momento atual.
* Dr. Rolf Froböse é um químico alemão, jornalista científico e autor
Fonte: www.elektronikpraxis.vogel.de
