Krachtige magneten ondersteunen een groot deel van de moderne samenleving. Van high-end audioluidsprekers tot elektrische voertuigenwindturbines en straaljagers vormen een essentieel onderdeel van veel van de technologie waarmee we dagelijks in aanraking komen. Om ze te maken zijn extractie- en raffinageactiviteiten nodig zeldzame aardelementen– een toeleveringsketen die grotendeels wordt gecontroleerd door China.
Bedrijven over de hele wereld haasten zich om alternatieven te vinden die materialen gebruiken die overvloediger voorkomen en goedkoper zijn om in eigen land te produceren. Het in Minneapolis gevestigde Niron Magnetics gelooft dat het een oplossing heeft gevonden en beweert dat het de belangrijkste aspecten van de prestaties van zeldzame-aardemagneten kan aanpakken met behulp van nederig ijzer en stikstof, zij het in een exotische formulering. Algemene motoren, Stellairde Amerikaanse regering en anderen wedden erop.
“De Chinezen hebben exportcontroles op zeldzame aardmetalen ingevoerd en dat is voor ons een groot pluspunt geweest”, zegt Jonathan Rowntree, CEO van Niron.
Volgens het Internationaal Energieagentschap is China momenteel verantwoordelijk voor ongeveer 60% van de wereldwijde mijnbouw van zeldzame aardmetalen en ongeveer 90% van de raffinage (inclusief erts dat wordt gewonnen en verscheept vanuit de Verenigde Staten). Volgens het Amerikaanse ministerie van Energie levert het ook meer dan 90% van de zeldzame aardmagneten. Geopolitieke spanningen brengen dit aanbod in gevaar.
“Wij willen dit probleem voor westerse bedrijven zo snel mogelijk kunnen oplossen”, zegt Rowntree. Op de vraag of Niron alleen het Westen zal dienen, antwoordt hij: “Al deze landen buiten China hebben hetzelfde probleem.” Buiten de Verenigde Staten is Niron van plan ergens in Europa een fabriek te bouwen en een andere in Azië. “Het zal niet in China zijn. Het zal hoogstwaarschijnlijk in Zuidoost-Azië zijn”, zegt hij.
Verder gaan dan neodymium
Bedrijven – en overheden – zijn vooral op zoek naar alternatieven voor één van deze zeldzame aardmetalen: neodymium. Het is verbonden met twee andere metalen om ’s werelds populairste magneet te creëren. “Neodymium-ijzerborium is de beste permanente magneet die er is. En niemand is er ooit in de buurt gekomen”, zegt Nicola Morley, hoogleraar materiaalfysica aan de Universiteit van Sheffield in Engeland. Het heeft geen banden met Niron.
Niron heeft de afgelopen vijftien jaar ongeveer 200 miljoen dollar opgehaald bij particuliere financiers en ongeveer 100 miljoen dollar uit federale en staatsbelastingkredieten of -subsidies, waaronder de ministeries van Energie en Defensie, om zijn exotische formule op te bouwen.
De wereld zal er in 2026 misschien eindelijk achter komen hoe de technologie van Niron werkt, wanneer er naar verluidt magneten uit de proeffabriek in Minneapolis in thuisluidsprekers zullen verschijnen. Motoren voor huishoudelijke apparaten zoals wasmachines, drogers en airconditioners volgen volgens schema in 2026 of 2027.
Niron brak in september de grond af van zijn eerste grootschalige fabriek in Sartell, Minnesota, en is van plan tegen medio 2027 1.500 ton magneten per jaar te produceren. Het overweegt verschillende staten voor zijn volgende fabriek van “wereldschaal” met een capaciteit van 10.000 ton per jaar, die naar schatting meer dan 20% van het Amerikaanse aanbod zou kunnen leveren na de opening in 2029. Dan komen er fabrieken in Europa en Azië. Niron is niet van plan er licenties voor te verlenen technologie. “We willen een full-service magneetfabrikant zijn”, zegt Rowntree.
De data waarop extra fabrieken zullen openen zijn niet zeker, of wanneer magneten kunnen verschijnen in industriële machines, auto’s, vliegtuigen en windmolens. Rowntree zegt dat vergeleken met de korte productcyclus voor consumententechnologie “de industriële sector gemiddeld is, de automobielsector iets langer duurt, en defensie- en windturbines langer duren.” Niron zegt alleen dat ze ‘verloofd’ is met defensiebedrijven.
Bouw een rivaliserende magneet
Het wordt vrij snel technisch als het om Niron gaat. Maar de details zijn van belang bij het bepalen of het zijn ambitieuze zakelijke doelstellingen kan verwezenlijken, inclusief een beursgang, waarvan Rowntree zegt dat het ‘nog een paar jaar duurt’.
Niron bezit verschillende patenten voor ijzernitridetechnologie, waaronder een patent over hoe een bepaalde rangschikking van de chemische verbinding kan worden geproduceerd, zowel binnen de moleculen als in de manier waarop ze kristallen vormen, waardoor dit wordt bereikt en behouden in wat de ‘alfa dubbele prime-fase’ wordt genoemd.
Rowntree legt het in iets eenvoudiger bewoordingen uit en zegt dat de atomen ‘zodanig in een structuur zijn georganiseerd dat de stikstofatomen de structuur buigen’ om een groter magnetisme te veroorzaken. Dit is vergelijkbaar met neodymiummagneten, waarbij, zoals Morley zegt, “het boor de kristalstructuur in wezen verlengt”.
Een andere uitdaging was het plaatsen van deze kleine kristallen in grote magneten. Alle productie van krachtige magneten begint met het materiaal in poedervorm. Vervolgens wordt een magnetisch veld aangelegd om deze korrels uit te lijnen, zodat hun magnetische polen allemaal in dezelfde richting wijzen. Vervolgens worden de korrels samengeperst. Ten slotte wordt bij zeldzame-aardemagneten hoge hitte toegepast om de korrels aan elkaar te lijmen.
Maar de hitte zou het materiaal van Niron hebben vernietigd, dus ontwikkelden de wetenschappers van het bedrijf een alternatieve oplossing voor het compacteren van de magneten. “Er zat, zou ik zeggen, een geheime saus in de productie op nanoschaal, het stadium dat we willen, en het in stand houden van dat stadium”, zegt Rowntree. “En dan is er veel technologie beschikbaar: ‘Hoe kun je dit op een kosteneffectieve manier opschalen?'”
Zullen de magneten werken?
Niron heeft gegevens onthuld over de sterkte van zijn oorspronkelijke magneten, die aan de onderkant van de prestaties van neodymium liggen. Verwacht wordt dat het uiteindelijk het niveau van neodymium zal benaderen, waardoor het een waardige concurrent zal worden.
Wat Niron nog niet publiekelijk heeft onthuld, is het vermogen van de magneten om stand te houden bij blootstelling aan sterke magnetische velden in apparaten zoals motoren van elektrische voertuigen. Op een gegeven moment kunnen dergelijke spanningen de kleine magnetische gebieden in een magneet in de war brengen, zodat ze elkaar opheffen en er een nutteloos stuk metaal van maken.
Niron zegt dat het vermogen van zijn magneet om demagnetisatie bij kamertemperatuur te weerstaan nooit zo goed zal zijn als dat van zeldzame aardmetalen, maar het streeft ernaar er redelijk dichtbij te komen.
Niron begint dus met het plaatsen van zijn magneten in luidsprekers, omdat ze een kleiner magnetisch veld produceren, terwijl het werkt aan het verbeteren van de aantallen voor ‘meer veeleisende toepassingen’. Het bedrijf zegt dat het zwakkere magneten kan vervangen, zodat low-end luidsprekers kleiner zullen zijn of beter zullen presteren, maar het zegt ook sterkere zeldzame-aardmagneten in high-end luidsprekers te zullen vervangen.
Wat de meer veeleisende toepassingen betreft, Niron en Stellantis kondigden in oktober een samenwerking aan ontwikkelen van nieuwe motorontwerpen voor elektrische voertuigen. Stellantis zei eenvoudigweg dat dit “ons in staat stelt de mogelijkheden te onderzoeken.”
Niron zegt dat zijn technologie ook neodymiummagneten in sommige vliegtuigonderdelen zou kunnen vervangen, maar niet in de straalmotor. Het is te warm voor beide soorten magneten en vereist een nog duurder zeldzaam aardmetaal: samarium.
Het leveren van magneten voor auto’s en vliegtuigen (en windturbines) is nog een verre toekomst. Maar als fabrikanten van audioapparatuur zich aan het schema van Niron houden, zullen volgend jaar veel vragen beantwoord worden. “Zodra deze magneten op de markt komen, kunnen ze onafhankelijk door anderen worden bestudeerd, wat belangrijk zal zijn voor de industrie”, zegt Morley.
