Magneter findes overalt i vores hverdag, lige fra datalagring på vores harddiske, motoren i eltandbørsten til generatorer i vindmøller.
Grundstofferne, som indgår i de bedste magneter, afføder dog geopolitiske problemer. Derfor er det nødvendigt at forske i at lave bedre magneter, som ikke indeholder problematiske grundstoffer.
Vi skal derfor kigge på det periodiske system.
Året 2019 er blevet udråbt af UNESCO til det internationale år for grundstoffernes periodiske system. Året er valgt, fordi 1869 anses for at være året, hvor den russiske videnskabsmand Dmitri Mendelev opdagede det periodiske system.
Jeg var så heldig at have lejlighed til at besøge Mendelevs bolig og laboratorium i Skt. Petersborg i forbindelse med deltagelse i en konference tidligere i år.
Over de seneste 150 år er det periodiske system blevet et uvurderligt værktøj for videnskabsfolk i en lange række af forskellige discipliner: kemi, fysik, ingeniørvidenskab, geologi, materiale- videnskab, biologi, osv.
Det periodiske system indeholder information om elementernes indbyrdes relationer og muliggør en række forudsigelser, som kan anvendes til at designe bedre materialer og molekyler, herunder også magneter.
Kigger vi på det periodiske system, kan vi ret hurtigt konstatere, hvilke elementer der kan indgå i potentielle gode magnetiske materialer.
Den første forudsætning er tilstedeværelsen af uparrede elektroner, altså elektroner, som ikke er parret med en elektron med modsatrettet spinmoment.
Uparrede elektroner er en forudsætning for at kunne opbygge magnetisk orden – omvendt er ikke alle materialer, der har uparrede elektroner, magnetiske.
Ud fra det periodiske system kan vi se, at uparrede elektroner primært findes i overgangsmetallerne og de sjældne jordartsmetaller. Jo flere uparrede elektroner, desto bedre – altså er, chrom, mangan, jern, kobolt og nikkel gode kandidater som byggesten i magnetiske materialer.
For de sjældne jordartsmetaller findes der en lang række af mulige magnetiske grundstoffer, men i praksis er anvendelsen begrænset til neodymium, samarium, dysprosium og terbium.
De bedste magneter, vi har i dag, består af neodynium, jern og bor og er også kendt som NIB- eller neo-magneter. Disse magneter er kerneteknologi i såvel pumper fra Grundfos og vindmøllegeneratorer fra Siemens Gamesa.
Den korrekte kemiske formel er Nd2Fe14B, og med andre ord består langt størstedelen af magneten af jern.
Hvis vi betragter situationen noget forenklet, giver det umiddelbart mening at der er meget jern, hvis vi tæller antallet af uparrede elektroner; jern (Fe3+) har fem uparrede elektroner, mens neodymium (Nd3+) kun har tre.
Neodymium bidrager dog med et såkaldt 'orbit-moment’, som udover at give magnetisk styrke også bidrager med magnetisk modstandskraft mod afmagnetisering, og der tilsættes ofte dysprosium og terbium for at øge modstandskraften når temperaturen overstiger stuetemperatur.
De sjældne jordartsmetaller er faktisk slet ikke så sjældne, som navnet antyder, i hvert fald ikke de såkaldt lette sjældne jordartsmetaller, som omfatter neodymium og samarium.
Forekomsten af neodymium er sammenlignelig med forekomsten af zink. Situationen er en noget anden, når man kigger på de tunge sjældne jordarter, som dysprosium og terbium, hvor forekomsterne uden for Kina er stærkt begrænsede i forhold til den forventede efterspørgsel.
En anden udfordring med de sjældne jordarter er, at de typisk forekommer sammen med radioaktive elementer såsom uran, hvilket gør udvinding dyr og besværlig, når der skal tages hensyn til minearbejderne og miljøet.
Kina har defacto monopol på de tunge sjældne jordarter, og dette er et våben, som Kina kunne tænkes at bruge i den verserende handelskrig med USA.
Når USA ytrer interesse for at købe Grønland, er det ikke kun på grund af den strategiske placering, men også fordi der forventes at være store forekomster af sjældne jordarter under indlandsisen. Med andre ord er magneter en del af et stort politisk magtspil.
Tilbage til det periodiske system! Det er nødvendigt at forske i magneter, som ikke indeholder dyre, sjældne eller svært tilgængelige elementer for at sikre kraftige magneter til et stadigt stigende behov i husholdningen og industrien. Jeg er derfor med i Dansk Magnetisk Forening, hvor medlemmerne er engageret i dette arbejde på højeste internationale niveau.
