Dysprosiumschaarste bedreigt Groene Economie

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?

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.

www.visionair.nl