La creciente demanda de imanes de tierras raras por parte de la UE amenaza la transición energética debido a la dependencia geopolítica y a una industria europea actualmente poco competitiva.
La transición de Europa hacia la energía y la movilidad sostenibles es la piedra angular de importantes iniciativas políticas como el Pacto Verde, Fit for 55 y REPowerEU. Para esta transición son fundamentales los imanes permanentes. Los imanes permanentes son componentes críticos de vehículos eléctricos, turbinas eólicas, motores industriales e innumerables tecnologías nuevas. Actualmente, los más potentes de estos imanes se basan en elementos de tierras raras (REE), en particular aleaciones de neodimio-hierro-boro (NdFeB). Su excelente rendimiento es el resultado de la interacción única entre su estructura electrónica y la red cristalina, que obliga a los momentos magnéticos atómicos a alinearse en direcciones cristalográficas preferidas. Este fenómeno, conocido como anisotropía magnetocristalina, da como resultado una alta magnetización (debido al hierro) y una fuerte coercitividad (debido al neodimio).
Importancia de los imanes libres de REE
Sin embargo, esta ventaja tecnológica conlleva desafíos cada vez mayores. Para 2040, se espera que la demanda mundial de REE, en particular de imanes permanentes utilizados en vehículos eléctricos y turbinas eólicas, se triplique. La extracción, refinación y fabricación de imanes basados en REE se concentra en varias regiones geográficas y está profundamente afectada por tensiones geopolíticas. Esto crea una vulnerabilidad económica significativa para Europa, cuya industria de REE actualmente no puede competir con China sin apoyo público. Estas preocupaciones, junto con las consideraciones ambientales, resaltan la necesidad de tecnologías magnéticas alternativas. La Figura 1 ilustra el importante papel de los imanes permanentes en la transición verde y los obstáculos asociados con la cadena de suministro actual.
Una ruta viable es combinar imanes libres de REE con ingeniería inteligente de componentes y dispositivos. Aunque estos imanes aún no pueden igualar el rendimiento absoluto de los sistemas de NdFeB, su uso en motores y generadores rediseñados podría mejorar significativamente la sostenibilidad, reducir la dependencia del mercado y fortalecer la resiliencia de la industria europea.
Entre los candidatos libres de REE más prometedores se encuentran los imanes a base de aluminio, níquel, cobalto y hierro (conocidos colectivamente como imanes de alnico). A diferencia de los imanes REE, los materiales de AlNiCo tienen una anisotropía magnetocristalina relativamente baja porque la estructura electrónica y la simetría cristalina de los elementos no están alineadas sinérgicamente. Para compensar, su rendimiento magnético depende en gran medida de la anisotropía de la forma, es decir, la alineación de las nanobarras magnéticas a lo largo de direcciones cristalográficas específicas. Dentro de cada partícula columnar, estas nanobarras forman dominios magnéticos separados por paredes de dominio, lo que permite que el material exhiba un comportamiento magnético direccional.
La principal ventaja de los imanes de álnico es su excelente rendimiento a altas temperaturas. Mientras que los imanes de NdFeB comienzan a perder su coercitividad cuando se calientan, los imanes de AlNiCo mantienen su coercitividad, lo que los hace atractivos para aplicaciones de alta temperatura.
Una solución prometedora: el enfoque MagNEO
El proyecto MagNEO reúne a un consorcio diverso de 16 socios de 10 países europeos, que abarca institutos de investigación, empresas de fabricación avanzada, proveedores de tecnología, universidades y expertos en comunicación y desarrollo de habilidades.
Su objetivo general es desarrollar e implementar estrategias avanzadas de fabricación aditiva (AM) que permitan que los imanes de álnico sin REE reemplacen o complementen los imanes permanentes tradicionales basados en REE. Este trabajo integra estudios experimentales, modelado computacional y optimización basada en datos.
El proyecto también se centra en la sostenibilidad. MagNEO desarrollará nuevas estrategias de reciclaje y validará el rendimiento de los imanes de próxima generación en varias áreas de aplicaciones clave.
Dispositivos automotrices y de alta velocidad, como sistemas de frenos antibloqueo, faros y motores de bombas de calor. Generador de accionamiento directo de baja velocidad para aerogeneradores. Sistema de propulsión eléctrica marina.
El concepto del proyecto se muestra en la Figura 2.
Un elemento central del enfoque de MagNEO es una metodología de diseño ágil y flexible que combina herramientas de experimentación, modelado y optimización. Este proyecto avanza tanto en materiales como en fabricación. Esto incluye la optimización de la producción de materias primas mediante la atomización de gas y una exploración exhaustiva de técnicas de fabricación aditiva. La AM tiene varios beneficios de sostenibilidad. Reduce el uso de materia prima en comparación con la fabricación tradicional de imanes permanentes, permite la fabricación de componentes complejos con una forma casi neta y permite reprocesar y reutilizar el material sobrante del proceso de impresión.
Más allá de los materiales y la fabricación, MagNEO incluye estudios de viabilidad y diseño a nivel de componentes con usuarios finales industriales. La circularidad es otro pilar central del proyecto. La estrategia de reciclaje de la empresa incluye:
Recicla directamente polvos de larga duración, chatarra de AM e imanes usados refundiéndolos y atomizándolos en nuevos polvos de aleación. Fabricamos imanes adheridos reciclando directamente imanes usados triturados. El reciclaje indirecto mediante tecnología de química verde recupera selectivamente metales críticos como cobalto, níquel y cobre.
Estas prácticas tienen un gran potencial para reducir la demanda de materiales vírgenes y cerrar el círculo de la producción de imanes.
superar desafíos
Para lograr sus objetivos, MagNEO se enfrenta actualmente a varios desafíos científicos y técnicos complejos.
Garantiza la integridad estructural de los componentes de aleación fabricados aditivamente. Desarrollamos la correcta organización del grano a nivel microestructural y lo alineamos a lo largo de la dirección de magnetización deseada, asegurando un fuerte comportamiento magnético direccional. Forma microcristales ricos en FeCo bien alineados a nanoescala y mejora la anisotropía de forma con forma y espaciado precisos.
Abordar estos desafíos requiere un control preciso de la estructura del material en múltiples escalas, desde la estructura de fase a nivel nanométrico hasta la orientación del grano a gran escala, tanto durante la fabricación aditiva como en los pasos posteriores del procesamiento termomagnético.
Mejorar las propiedades magnéticas de los imanes permanentes, que cierran la brecha de rendimiento entre las ferritas de bajo costo y los imanes de tierras raras de alto rendimiento, como los imanes de alnico, es una tarea técnicamente desafiante que requiere cronogramas de desarrollo extendidos. Los avances deberán integrarse estrechamente con el diseño de motores, generadores y otros dispositivos que utilicen estos imanes. La adaptación, tanto en términos de materiales como de ingeniería, es esencial para aprovechar todo el potencial.
Por último, el reciclaje es importante para la posición a largo plazo de Europa en la fabricación de imanes. El desarrollo de procesos circulares sólidos mejora la seguridad de los materiales, respalda la competitividad industrial y reduce el impacto ambiental.
El proyecto MagNEO tiene como objetivo ayudar a Europa a construir un futuro más sostenible y resiliente para la tecnología magnética a través de un enfoque multidisciplinario que abarca materiales innovadores, fabricación avanzada, integración de dispositivos y diseño circular.
Descargo de responsabilidad
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Este artículo también se publicará en el número 25 de la revista trimestral.
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