Wyścig o stworzenie najsilniejszego magnesu świata.pdf

Wyścig o stworzenie najsilniejszego magnesu świata

Asystent George’a Hadjipanayisa przyszedł do niego z kłopotliwą informacją: jakiś niesamowicie

silny magnes sprawił, że przyrządy w laboratorium zaczęły szaleć.

- Straciłeś rozum – powiedział mu wtedy Hadjipanayis, który przypomina sobie rozmowę ze swoim

asystentem na początku lat 80. – Coś źle zrobiłeś, wróć i przeprowadź eksperyment jeszcze raz –

skarcił go wtedy.

Jak się jednak okazało, wszystko było w porządku, a Hadjipanayis wkrótce uświadomił sobie, że jego

zespół przypadkowo stworzył najsilniejszy – wtedy i teraz – magnes świata. Zrobiony jest on z silnego i

wciąż mało zbadanego „rzadkiego ziemskiego” pierwiastka, zwanego neodymem (łacińska nazwa:

neodymium). Ten magnes może zrewolucjonizować dzisiejsze technologie, zasilając silniki turbin

wiatrowych, czy dając napęd samochodom elektrycznym.

Ale szczęście raczej nie trwa wiecznie.

Dostępne złoża neodymu i 16 innych tak zwanych pierwiastków ziem rzadkich, które tworzą dwa

osamotnione rzędy na dole układu okresowego pierwiastków, kończą się. Chiny, które kontrolują 97

proc. złóż tych materiałów, nie są chętne do podziału nimi z Zachodem. A jedyna amerykańska kopalnia

tego rodzaju zakończyła swą produkcję po wypadku z odpadami radioaktywnymi w latach 90.

Faktem jest natomiast, że pierwiastki ziem rzadkich są ważne dla wszystkich rodzajów technologii – to

one sprawiają, że nasze smartphony wibrują, nasze telewizory cieszą oczy żywymi czerwieniami i

zieleniami, a twarde dyski komputerów zapisują dane w swojej pamięci. Ta świadomość przeraża wielu

technologów i naukowców.

Co się stanie z naszą technologiczną rzeczywistością, kiedy zabraknie tych ważnych elementów?

Hadjipanayis, który jest szefem fizyki na Uniwersytecie Delaware, oraz naukowcy z dwóch innych

instytucji, Laboratorium Ames amerykańskiego Departamentu ds. Energii w Iowa oraz GE Global

Research w północnej części stanu Nowy Jork, przygotowują się właśnie na nadejście takiego dnia.

Uczestniczą oni w wyścigu, którego celem jest stworzenie jeszcze silniejszego magnesu – kluczowego

komponentu dla tzw. zielonych technologii, które wykorzystują magnes do zamiany energii elektrycznej

w ruch. Co więcej, naukowcy próbują to zrobić wykorzystując tak mało neodymu, jak tylko się da,

ponieważ pierwiastek ten coraz trudniej zdobyć.

Dla Hadjipanayisa to walka zarówno zawodowa, jak i osobista. Próbuje on bowiem powtórzyć

przypadkowy sukces, jaki odniósł ze swoimi magnesami w latach 80.

- Czuję presję – mówi. – Ale wiadomo, że nie jest to łatwe. Chodzi o to, że potrzebny jest także łut

szczęścia. Mamy pomysł, ale jest wiele, wiele przeszkód, które musimy rozwiązać zanim osiągniemy

sukces.

Tajemnica rzadkich pierwiastków

Tak zwane pierwiastki ziem rzadkich posiadają silne właściwości magnetyczne i przewodzące, które

trudno znaleźć w innych materiałach.

Dokładne zrozumienie tego wszystkiego wymagałoby ukończenia pewnie zarówno studiów z fizyki, jak i

chemii, ale wersję dla amatorów przedstawił nam jeden z naukowców GE Global Research, Frank

Johnson:

- W materiale magnetycznym, jony magnetyczne połączone są sprężynami.

Trzymając się dalej tej metafory, typowy pierwiastek znany w języku angielskim jako „rare earth

element” jest pełen potężnych sprężyn, ale one wszystkie są pomieszane i skierowane w różnych

kierunkach, jakby zostały wrzucone bezładnie na dno szuflady.

Coś magicznego dzieje się, kiedy pierwiastek jak neodym jest połączony z innymi specyficznymi

materiałami – tworzą się kryształy. I jeśli kształt tego kryształu jest właściwy, wszystkie potężne

sprężyny ustawiają się odpowiednio i nagle – bam! – sprężyny wzmacniają się wzajemnie i otrzymujemy

superpotężny magnes.

- To bardzo wyjątkowe elementy i nauka o nich jest fascynująca – dodaje Johnson.

Metaliczne przepisy

Hadjipanayis nie wiedział, że brakującym składnikiem był bor, kiedy poprosił swojego asystenta o

dodanie go do metalicznej mikstury, nad którą pracowano w jego laboratorium.

Jedyne co wtedy wiedział to to, że eksperymenty nie przebiegają właściwie, ponieważ metal wciąż się

rozpadał. Pomyślał jednak, że bor może być metalicznym odpowiednikiem jajka i mąki, które poprawiają

konsystencję ciasta. Miał on wygładzić także jego miksturę.

Rezultat był jednak nieoczekiwany. Naukowiec odkrył w ten sposób neodymowo-żelazno-borowy

magnes, który był o wiele silniejszy, niż cokolwiek, co udało się stworzyć wcześniej.

- Dla mnie było to bardzo ekscytujące doświadczenie – wspomina Hadjipanayis, który do dziś trzyma na

swoim biurku kilka maleńkich magnesów tego rodzaju, aby pokazywać je odwiedzającym.

Naukowcy oceniają, że typowy magnes w lodówce ma siłę 3 do 4 jednostek. Obecne magnesy

neodymowe mogą mieć natomiast siłę od 57 do 60 jednostek.

Hadjipanayis przypomina sobie, jak kilka lat temu poszedł na lotnisko z magnesem neodymowym w

kieszeni płaszcza. Przechodził koło wykrywacza metali i nagle utknął. Na szczęście był w stanie uwolnić

się z tej nieco niezręcznej sytuacji, ale jak mówi, jeśli dwa magnesy neodymowe złączą się, „trzeba je

rozciąć na dwie części”.

- Jeśli jesteś zwyczajną osobą, nie można ich rozdzielić zwyczajnie ciągnąc – wyjaśnia.

Teraz Hadjipanayis oraz naukowcy z GE i Laboratorium Ames próbują stworzyć magnesy, które będą

prawie dwa razy silniejsze.

Świat bez rzadkich pierwiastków

Naukowcy pracują nad wynalezieniem magnesów, które nie będą zależały tak bardzo od pierwiastków

ziem rzadkich, a jednocześnie firmy wydobywcze starają się odkrywać nowe ich złoża.

To jednak wiąże się z zagrożeniem środowiska naturalnego.

Chiny stały się światowym liderem w wydobyciu i produkcji rzadkich pierwiastków częściowo dlatego, że

mniej przejmują się one związanymi z tym zagrożeniami, niż na przykład Stany Zjednoczone.

Amerykańska kopalnia tego rodzaju materiałów, teraz należąca do Molycorp Minerals, została

osądzona w 1998 roku za wyciek setek tysięcy galonów zanieczyszczeń zawierających niski poziom

materiałów radioaktywnych.

Kopalnia Molycorp znajdująca się na kalifornijskiej pustyni w pobliżu granicy z Nevadą, w tym roku ma

być ponownie otwarta. W raporcie amerykańskiego Departamentu ds. Energii, który opublikowany

został w grudniu, poinformowano, że USA muszą wznowić własną produkcję tego typu materiałów, aby

zapewnić odpowiednie dostawy dla firm technologicznych.

Rzecznik Molycorp, Jim Sims, powiedział, że ponowne otwarcie kopalni oraz udoskonalony ośrodek

przetwarzania sprawi, że Stany Zjednoczone znowu wrócą do gry w tej branży – i co równie ważne –

będą mogły to robić bezpiecznie.

- Ameryka będzie posiadała najbardziej korzystne dla środowiska i najbardziej zaawansowane

technologicznie możliwości przetwarzania tych pierwiastków – poinformował Sims.

Jednak otwarcie takiej kopalni to kosztowne, długie i żmudne zadanie. Elementy te zwykle znajdowane

są w stosunkowo małych ilościach, pomieszane z innymi materiałami, co czyni proces wydobycia i

przetwarzania zarówno trudnym, jak i nieekonomicznym.

Przedstawiciele amerykańskiego Departamentu ds. Energii mówią też, że należy szukać alternatywnych

rozwiązań. I tu właśnie do akcji wkraczają nasi naukowcy.

Jeden z działów Departamentu, zwany ARPA-E (Advanced Research Projects Agency-Energy),

przeznaczył na granty dla odpowiednich programów 6,6 miliona dolarów, jeśli będzie szansa na

stworzenie magnesu silniejszego niż te znane obecnie – przy jednoczesnym wykorzystaniu znacznie

mniejszych ilości neodymu.

To ważne, ponieważ jak mówi Karl Gschneidner z Laboratorium Ames, które również bierze udział w

tym wyścigu, świat bez magnesów opierających się na takich pierwiastkach, lub bez jakiegoś wciąż

nieznanego substytutu, będzie musiał wiele zmienić w swoich technologiach. Oznaczałoby to na

przykład, że nasze laptopy byłyby trzy lub cztery razy cięższe niż są obecnie.

- Na razie nie ma dla nich żadnego substytutu – mówi o kłopotliwych materiałach.

Ale czy uda nam się je zastąpić?

- Szanse są mniejsze niż 50 procent.

Pokonanie magii natury

Przewyższenie sił natury nie jest łatwym zadaniem.

Hadjipanayis oraz inni naukowcy wykorzystują nanotechnologię, aby zmienić przepis na obecnie

najsilniejsze magnesy.

Hadjipanayis mówi, że codziennie pojawia się w swoim laboratorium, aby ocenić postępy. Martwi się też

wysokim ryzykiem, jakie jest z tym związane. Dla niego jednak grant rządowy byłby znakiem, że nasza

przyszłość leży w tak zwanych zielonych technologiach.

- Jeśli tak się stanie, zrewolucjonizujemy wszystko – dodaje.

Źródło: CNN

niedziela, 13 marzec 2011

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: