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 z
le zrobiłeś, wróć i przeprowadz
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 znalez
ć 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.
1
- 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
2
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.
y
ródło: CNN
niedziela, 13 marzec 2011
3