Dysprosiumschaarste bedreigt Groene Economie

Share Button

Elektromotoren en elektrische dynamo’s zoals in windmolens zijn alle afhankelijk van vooral twee elementen: neodymium en dysprosium. Alleen metaallegeringen met deze twee ‘zeldzame aarden’ leveren magneten op die voldoende sterk en licht zijn voor efficiënte elektromotoren. China, verreweg de belangrijkste producent, draait nu de kraan dicht omdat het land de schaarse dysprosiumvoorraden vooral aan de eigen industrie gunt. Vinden we op tijd alternatieven?

Links een neodymiummagneet, rechts een ouderwetse ferromagneet, Beide magneten hebben voldoende trekkracht om 3 kg zwevend te houden.

Links een neodymiummagneet, rechts een ouderwetse ferromagneet, Beide magneten hebben voldoende trekkracht om 3 kg zwevend te houden.

Waarom zijn neodymium en dysprosium zo belangrijk?
Neodymium en dysprosium zijn allebei atoomelementen die behoren tot de groep zeldzame aarden. Erg zeldzaam zijn ze weliswaar niet, er is bijvoorbeeld ongeveer evenveel neodymium als koper of nikkel op aarde, maar het probleem is dat er maar weinig operationele mijnen zijn waar deze metalen gewonnen worden. Tot begin jaren negentig waren beide metalen obscure stoffen, die slechts voor een handvol toepassingen werden gebruikt, maar dat veranderde toen metallurgen opmerkelijke eigenschappen ontdekten. Zo creëerden ze van neodymium-legeringen de sterkste permanente magneten ooit. Vooral als een snuifje dysprosium toegevoegd wordt, neemt de sterkte van het magneetveld enorm toe, tot 1,3 tesla en verbetert de stabiliteit bij hogere temperaturen. Als je bedenkt dat het magneetveld in een MRI-scanner, dicht in de buurt van het sterkste permanente magneetveld dat wetenschappers kunnen opwekken, rond de 15 tesla sterk is, besef je hoe extreem sterk deze magneten zijn. Als zeldzame aarden-magneten op elkaar afvliegen versplinteren ze elkaar door de enorm sterke aantrekkingskracht, wat ernstige ongelukken kan veroorzaken. Deze sterke, lichte magneten maken de elektromotoren waar ze deel van uitmaken ook sterk en licht, wat ze gewild maakt in bijvoorbeeld windmolens en elektronische auto’s. Deze slokken werkelijk enorme hoeveelheden van deze metalen op.

Chinees monopolie
China beschikt over een bijna-monopolie op deze zeldzame aardmetalen. Maar liefst 99% van alle neodymium komt uit Chinese mijnen. In de jaren negentig en later concurreerden de goedkoop producerende Chinese mijnen de concurrentie uit de rest van de wereld weg. Nu de vraag naar windmolens en zuinige, lichte elektronotoren explosief stijgt, stijgt ook de vraag naar neodymium en dysprosium enorm. China heeft om die reden hoge exportheffingen opgelegd om zo fabrikanten van magneten en elektromotoren te dwingen naar China te komen. Vanzelfsprekend zijn andere industriële grootmachten, zoals de EU, Japan en de VS, hier verre van blij mee. Echter, erg veel zin om in te binden hebben de Chinese leiders met dit letterlijk meer dan ijzersterke (Neo magneten zijn, zie plaatje, ordes van grootte sterker dan ferromagneten) onderhandelingsmiddel begrijpelijkerwijs niet, dus broeden de Amerikanen op alternatieven. Zo worden er nu in Canada en Australië ooit uit bedrijf genomen mijnen met zeldzame aarden weer in gebruik genomen. Of dit op tijd zal zijn, vragen critici zich echter af. Al voor 2015 wordt een structureel dysprosiumtekort verwacht, volgens een rapport van het Amerikaanse Ministerie van Energie. Ook als de Chinese overheid geen exportbeperkingen zou instellen, zou dit probleem spelen.

Alternatieve magnetische materialen?
De beste oplossing is uiteraard, om een superieur magnetisch materiaal te ontwikkelen dat bestaat uit veelvoorkomende chemische elementen als bijvoorbeeld koolstof, ijzer of nikkel. Het precieze proces waardoor complexere materialen magnetische eigenschappen gaan vertonen, is over het algemeen nog slecht begrepen. Er moeten zich bepaalde elektrische onevenwichtigheden vormen die periodiek bewegen waardoor  er een permanent magneetveld ontstaat. Ferromagnetische materialen zoals ijzer en nikkel bezitten deze eigenschap van nature, door de eigenschappen van het atoom in kwestie. In bepaalde andere materialen komt magnetisme voor terwijl de atomen zelf niet magnetisch zijn. Op dit moment vindt er veel onderzoek plaats op dit gebied, waarbij supercomputers doorrekenen aan de hand van de berg aan bekende gegevens over atomaire samenstelling en magnetische eigenschappen van bepaalde materialen, hoe het magnetisme tot stand komt. Het aantal atoomelementen met magnetische eigenschappen is maar beperkt. Materiaalwetenschappers en metallurgen hopen door een ‘brute force’ benadering waarbij er werkelijk miljarden combinaties worden doorgerekend, op interessante kandidaten te stuiten – een materiaal dat zeer sterke magnetische eigenschappen heeft maarbestaat uit veel voorkomende atomen.

Share Button

Germen

Hoofdredacteur en analist (Visionair.nl) Expertise: biologische productiesystemen (master), natuurkunde (gedeeltelijek bachelor), informatica

Dit vind je misschien ook interessant:

14 reacties

  1. Patrick schreef:

    Je kunt ook een elektromotor bouwen zonder vaste magneten. Het magnetische veld moet je dan met spoelen opwekken, waardoor het geheel wat minder efficiënt wordt. Maar een minder efficiënte motor is nog altijd beter dan een incomplete of veel te dure motor omdat China dwars ligt.

    • Germen schreef:

      Met een (grote) elektromotor lukt dat inderdaad wel maar met een generator, zoals in windturbines  is dat veel moeilijker, zeg maar gerust: vrijwel onmogelijk. 
      Zie http://en.wikipedia.org/wiki/Electricity_generation
       
      Alleen echt radicaal andere systemen zoals zonnecellen, brandstofcellen en dergelijke kunnen zonder.

      • Patrick schreef:

        In vrijwel iedere auto zit een dynamo zonder permanente magneten. Het is dus zeker niet onmogelijk. Er zitten natuurlijk wel nadelen aan, maar die zijn allemaal te overwinnen

        • Germen schreef:

          Hoe je het ook wendt of keert, om een elektrische stroom op te wekken moet er een fluctuerend magnetisch veld zijn. Dit kan overigens in het begin vrij klein zijn, begrijp ik uit Wikipedia, maar er is dus wel degelijk sprake van een (relatief zwakke) permanente magneet.

        • Patrick schreef:

          Nee, wat je bij de start van een generator nodig hebt is een externe spanningsbron. Daarmee wordt het benodigde elektro-magnetische veld opgebouwd. Als de generator eenmaal op gang is, kan hij zichzelf van spanning voorzien. Alleen in kleine generatoren zoals een fietsdynamo zitten permanente magneten.

        • antares schreef:

          Aan elke moderne generator is al een externe spanningsbron gemonteerd, Germen heeft het bij het rechte eind.

        • jan schreef:

          Nee,

          De meeste gangbare dynamo’s worden bekrachtigd met een veldspoel, die zijn stroom krijgt vanuit de accu.

          Geen magneet, toch een magnetisch veld.
           

        • antares schreef:

          De moderne generator die wij in de schuur hebben staan, heeft beslist geen accu. Gewoon een dynamo met permanente magneten.

      • antares schreef:

        Ik denk zelf dat grootschalige fabrikage en het gebruik van waterstof de beste oplossing is Germen. Met brandstofcellen kan dan gedeeltelijk voorzien worden in de behoefte aan elektriciteit, maar ook zonnecellen dragen hun steentje bij.  Het waterstofgas kan gebruikt worden als brandstof voor generatoren. De oververhitte stoom die zo vrij komt kan worden hergebruikt voor turbinegeneratoren, terwijl het hete condensaat als verwarming voor gebouwen kan dienen en tenslotte als drinkwater. Wat de waterstofproduktie betreft, denk ik nog steeds aan het artikel dat jij schreef over de mogelijkheden die golfslaggeneratoren ons bieden op schepen. We zijn voor zeldzame aardmetalen op den duur aangewezen op ruimte-exploratie, hier raakt de voorraad uiteindelijk hoe dan ook toch op. Bovendien is de winning hier bepaald niet milieuvriendelijk, en zeker in de chinese mijnen niet ongevaarlijk. 

  2. govie schreef:

    Mooi stuk en informatief. De titel is misleidend en ook weer niet!:)
    Van Dysprosiumschaarste is als ik het goed lees geen sprake. China speelt het spel slim, je ziet dit vaker zoals ook bij de zonnepanelen. De chinese zonnepanelenproducenten worden zo gesteunt door de overheid waardoor de prijzen zo hard dalen, dat ze uiteindelijk een monopoliepositie verkrijgen. Dit is ook slecht voor Nederland, gezien het feit dat de fabrieken in ons land al gesloten zijn. En nu doen ze het in een andere markt op basis van grondstoffen. Heel dit beleid zorgt ervoor dat export uit china toeneemt en hier daalt.
    Ja nja, je kan ook zeggen dat china een goede concurrentiepositie creert voor producerende bedrijven om zich te vestigen. Het laat mooi zien dat de concurrentie van landen om meer welvaart te verkrijgen moordend is. Jammer dat ons politieke systeem ons zo beperkt om tegen dit soort beleid te concurreren, waardoor producenten wegtrekken. Zo houdt je een diensteneconomie over, wat m.i. niet positief is.

  3. Bemoeier schreef:

    Misschien wat lichtere elementen met elkaar laten botsen om synthetische dysprosium te maken ?

  4. Picobyte schreef:

    Interessant in dit verhaal is dat generators en serie generators bovenal een zeer hoog rendement behalen waarbij het enige nadeel is dat er koolborstels en sleepringen slijten.
     Er zijn momenteel computergestuurde wieken(windafnemers)die prima een asynchrone generator kunnen aandrijven.
    Voor een windmolen is rendement niet relevant maar de energie per dag/week is wel belangrijk.

  5. Willem schreef:

    Ik begrijp het niet echt. Ik lees dat China alle andere mijnen weggeconcurreerd heeft en nu zelf de deuren dichtgooit. Dan zijn de oude, weggeconcurreerde mijnen toch gewoon te heropenen?

  6. Tui schreef:

    Dat gebeurt ook volgens het artikel, Willem. Het zal alleen wat meer voeten in de aarde dan even heropenen.  Denk aan de vergunningen, de arbeidskracht erheen halen, de materieel weer werkend krijgen.

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Verplichte velden zijn gemarkeerd met *

Advertisment ad adsense adlogger