Wetenschappers maken magneten zonder zeldzame metalen en dat is goed nieuws

Onderzoekers hebben een nieuwe klasse magneten ontwikkeld die geen zeldzame aardmetalen vereisen. Dat kan grote gevolgen hebben voor allerlei technologische snufjes die we dagelijks gebruiken.

Sterke permanente magneten zitten overal, onder meer in je smartphone, in elektrische fietsen, in windmolens en in de motoren van elektrische auto’s. Het probleem is echter dat de krachtigste exemplaren zeldzame aardmetalen zoals neodymium bevatten. De naam zeldzame aardmetalen is wat misleidend; ze zijn niet per se zeldzaam, maar de winning ervan is geconcentreerd in enkele landen en gaat gepaard met schade aan het milieu. Wetenschappers zoeken daarom al jaren naar alternatieve manieren om magneten te maken met elementen die overal ter wereld beschikbaar zijn. Dat bleek tot nu toe bijzonder lastig.

Onderzoekers van de Amerikaanse Universiteit van Georgetown denken nu een doorbraak te hebben bereikt. Ze hebben vier veelvoorkomende metalen gecombineerd, namelijk ijzer, kobalt, nikkel en mangaan, en voegden daar het element boor aan toe. Door de juiste verhoudingen te kiezen, ontstond een materiaal met een bijzondere kristalstructuur die normaal gezien alleen in duurdere materialen voorkomt. De sleutel zit hem in wat wetenschappers ‘hoge entropie’ noemen. Door meerdere metalen in bijna gelijke hoeveelheden te mengen, ontstaat een stabiel materiaal met unieke eigenschappen.

Twee keer zo sterk als voorgangers

De onderzoekers hebben tientallen verschillende samenstellingen getest om de beste mix te vinden. Het resultaat: magneten die ruim twee keer zo sterk vasthouden aan hun magnetisatie als eerdere versies met minder metalen. De beste samenstelling bevatte ongeveer 35 procent ijzer, 17 procent kobalt, evenveel nikkel en 31 procent mangaan, gecombineerd met boor. Simulaties voorspelden dat de magnetische sterkte nog verder kan oplopen bij verdere optimalisatie.

Wat betekent dit in de praktijk?

De nieuwe magneten zouden geschikt kunnen zijn voor toepassingen waar je sterke magnetisatie nodig hebt maar geen extreme kracht. Een goed voorbeeld is dataopslag, waar steeds kleinere magneetjes steeds meer informatie moeten bewaren. Andere potentiële toepassingen zijn sensoren en spintronica. Dat laatste is een opkomende technologie voor computerchips.

Voor de zwaarste toepassingen, zoals de motor van een elektrische auto, zijn deze magneten nog niet krachtig genoeg. Maar het onderzoek opent wel een nieuwe route: door te spelen met de verhoudingen van goedkope metalen kunnen wetenschappers eigenschappen behalen die voorheen alleen met dure materialen mogelijk waren. Dus in de toekomst is het niet onmogelijk dat op deze manier ook krachtige magneten voor elektrische auto’s gemaakt kunnen worden.

De beperkingen

Er is wel nog veel werk nodig voor deze technologie gebruikt kan worden in de echte wereld. De magneten zijn gemaakt als dunne films van slechts 22 nanometer dik. Dat is veel dunner dan een mensenhaar. Of de resultaten ook gelden voor grotere magneten moet nog blijken.

Daarnaast werkten sommige samenstellingen alleen goed bij extreem lage temperaturen. Bij kamertemperatuur verloren bepaalde varianten een groot deel van hun magnetische kracht. Voor praktische toepassingen moet dat probleem nog worden opgelost.
Ten slotte bevatten de films soms ongewenste bijproducten die de prestaties beïnvloeden. Vervolgonderzoek moet uitwijzen of zuiverdere materialen nog betere resultaten opleveren.

Afhankelijkheid van China afbouwen

Ondanks het feit dat de technologie nog niet klaar is, is dit ook een veelbelovende piste om geostrategisch onafhankelijker te worden. De productie en verwerking van zeldzame aardmetalen is vandaag de dag sterk geconcentreerd in een handvol landen, met name China. Dat maakt onder meer Europa kwetsbaar voor prijsschommelingen of handelsconflicten. Alternatieven op basis van veelvoorkomende metalen zijn daarom ook strategisch interessant.

Wanneer merken we hier iets van?

Wanneer we deze magneten in alledaagse producten zullen terugzien, is nog niet duidelijk. Het gaat voorlopig om fundamenteel onderzoek dat werd uitgevoerd op een zeer kleine schaal. Toepassingen in niche-elektronica, zoals bepaalde geheugentechnologieën of sensoren, liggen waarschijnlijk eerder binnen handbereik dan gebruik in zware elektromotoren. Waarschijnlijk ga je hier dus niet meteen iets van merken op korte termijn.

We schreven vaker over dit onderwerp, lees bijvoorbeeld ook Magneten, Trump snapt ze niet, maar hoe werken ze eigenlijk? en Mensen transporteren met magneten: in Nederland wordt er hard aan gewerkt!. Of lees dit artikel: Deze elektronische huid geeft robots een tastgevoel zonder ingewikkelde elektronica.

Uitgelezen? Luister ook eens naar de Scientias Podcast: