Substitution de terres rares par la nanotechnologie
La demande de matériaux plus efficaces augmente rapidement. Comme de nombreuses matières premières sont rares, les experts de Siemens travaillent également sur des stratégies pour les remplacer, par exemple en utilisant la nanotechnologie.
Les produits écologiques sont à la hausse, tels que les aimants permanents des générateurs d’éoliennes. Ils sont basés sur des métaux de terres rares, un groupe d’éléments du tableau périodique, tels que le néodyme, le praséodyme et le dysprosium.
Lorsqu'elles sont combinées de manière optimale, leur produit énergétique, la mesure de l'énergie magnétique stockable, dépasse plus de 400 kilojoules par mètre cube (kJ / m3). Cette valeur est si élevée que les systèmes magnétiques basés sur ces systèmes peuvent être considérablement réduits ou équipés d’énergies magnétiques nettement supérieures à celles des matériaux magnétiques classiques.
De nombreux produits de haute technologie tels que les moteurs électriques, les téléphones portables, les lasers ou les téléviseurs LCD reposent sur des terres rares. Par exemple, les machines électriques peuvent fonctionner avec deux systèmes de bobines ou avec une bobine et un aimant permanent. Les machines synchrones équipées d'aimants permanents constituent une catégorie particulière de moteurs ou de générateurs électriques, qui peuvent permettre de réduire considérablement le poids des éoliennes.
"Avec des matériaux conventionnels tels que le fer et le cuivre, il faut toutefois accepter un poids élevé", explique le Dr med. Gotthard Rieger, responsable de la recherche "Substitution et recyclage des matériaux" chez Siemens Corporate Technology (CT). Il est beaucoup plus élégant d’équiper le rotor externe d’une telle turbine chargée de «capter» l’énergie de rotation avec de minces aimants néodyme-fer-bore qui induisent le champ électrique dans les bobines.
Dans la conception conventionnelle, une transmission massive dans des éoliennes convertit la révolution relativement lente en une rapide, qui génère ensuite de l'électricité dans le générateur. Les nouveaux concepts, en revanche, prévoient l'utilisation d'aimants permanents à base de terres rares pour générer de l'électricité directement à partir de la rotation lente. Les avantages: la boîte de vitesses est supprimée, elle permet de gagner du poids et les coûts de maintenance sont également réduits, ce qui profite en particulier au secteur offshore.
De telles turbines sans engrenage de Siemens existent déjà pour trois mégawatts et également pour un système 6 MW. Mais comme il est déjà clair aujourd'hui que les terres rares sont rares, Siemens a lancé un projet de nouveaux aimants permanents à haute performance - sans les précieux métaux rares. Par exemple, les éoliennes à entraînement direct pourront se passer de terres rares (dysprosium) à moyen terme, mais leur part pourrait déjà être réduite à 1%.
La solution s'appelle la nanotechnologie. Un des concepts de ce projet consiste à concevoir des moteurs totalement sans terres rares. Il existe aujourd'hui des aimants permanents à base d'oxydes de fer auxquels s'ajoutent d'autres oxydes.
Le problème: ces aimants en céramique frittée ont, sans autre traitement préalable, en moyenne, un produit énergétique dix fois plus petit que les aimants à terres rares. Ils ne sont donc pas applicables dans de nombreuses applications de moteur et de générateur.
Afin de se passer des terres rares, une équipe de Siemens travaille sur un nouveau matériau basé sur un composé de fer et de cobalt, dans lequel des tiges magnétiques de taille nanométrique sont fixées dans une matrice comme un collier de perles. "A partir de telles nanostructures, nous pourrions produire spécifiquement un aimant permanent optimisé et créer une alternative aux terres rares à long terme", estime Rieger.
Chez Siemens à Munich, il existe un premier laboratoire pour synthétiser et étudier de tels nouveaux matériaux magnétiques. "En principe, le fer est un excellent matériau magnétique", affirme l'expert Rieger. Il est impossible de prévoir pour le moment si le produit énergétique de ces matériaux peut atteindre ou dépasser celui des aimants à terres rares.
* Dr. Rolf Froböse est un chimiste allemand, journaliste scientifique et auteur
Source: www.elektronikpraxis.vogel.de
