Неодим — один из тех металлов, без которых не обойтись в современной технике. Из него делают самые мощные постоянные магниты. Такие магниты стоят в оборонных системах, жестких дисках, медицинских томографах, электромоторах автомобилей и ветряных турбинах. В США неодим официально считают критически важным материалом, но добывают и перерабатывают его в основном за границей. Китай контролирует почти всю цепочку поставок и недавно пригрозил еще сильнее ограничить экспорт редкоземельных металлов.

Если бы Америка сама умела производить такие материалы, как неодим, это убрало бы уязвимость в поставках. Именно над этим работали исследователи из Ливерморской национальной лаборатории, Западного резервного Университета Кейса и Национальной лаборатории Эймса. Они разработали новый способ изготовления неодимовых магнитов — процесс выдает очень чистый материал и делает это эффективно.

Один из авторов работы, ученый из Ливерморской лаборатории Ынчжон Ким, говорит:

Надеемся, что наш метод станет основой для производства неодимовых магнитов в США. Он позволит создать по-настоящему американскую цепочку «от руды до магнита» — начиная с добычи и разделения редкоземельных металлов и заканчивая изготовлением готовых магнитов. Так мы снизим зависимость от переработки за рубежом.

В самой Америке месторождения неодима есть. Но раньше его очистка была практически недоступна по трем причинам:

• процесс требует огромного количества энергии;
• разрешительные ограничения мешают работать;
• не хватает квалифицированных кадров.

Новая технология помогает обойти все три препятствия. В основе метода — электролиз в расплаве хлоридных солей. Если говорить просто, неодим поступает в систему в связке с ионами хлора. Электролизная установка пропускает через это электричество, и неодим притягивается к одному концу системы (катоду), а хлор уходит к другому (аноду).

По сравнению с обычной очисткой, тут нет двух очень энергозатратных этапов. И никаких вредных газов в виде побочного продукта. Анод сделан так, что почти не разрушается, поэтому установка может работать без остановки.

Это выгодно экономически, — поясняет Ким.

Традиционными методами получить килограмм неодима стоит больше 14 долларов. Нашим способом — примерно 5 долларов за килограмм.

Анализ доступности

Разница в цене огромная — дешевле почти в три раза. Но это расчеты лабораторные. В реальном производстве появятся расходы на оборудование, персонал, логистику и масштабирование. Тем не менее даже с наценкой метод обещает быть значительно дешевле существующих. Для промышленности это означает, что неодим перестанет быть «дорогим удовольствием», и конечные товары — от моторов до ветряков — теоретически могут подешеветь. Но случится это не раньше, чем технологию обкатают на заводских мощностях.

Что было до этого исследования

До сих пор неодим получали либо через расплавленные соли, но с другими химическими соединениями (чаще фторидами), либо через сложные металлотермические процессы. В них на каждом шагу выделялись токсичные газы, требовались высокие температуры и дорогие реагенты. Новый метод — это не революция с чистого листа, а эволюционный, но очень значительный шаг вперед. Авторы убрали два целых этапа из цепочки, заменили фторидную технологию на хлоридную и решили проблему быстрого разрушения анода. Это позволяет работать дольше и с меньшими затратами. С точки зрения инженерного мышления — прорывное усовершенствование.

Какой может быть вред

Хлор сам по себе ядовит, и хотя авторы пишут, что опасных газов в процессе не образуется, при аварии или разгерметизации может выделиться хлористый водород или другие соединения. Кроме того, электролиз требует больших количеств электроэнергии. Если ее получать от угольных станций, экологическая выгода от «чистого» производства магнитов для ветряков может обнулиться. Также ученые не пишут, что делать с отработанными хлоридными солями — их придется утилизировать.

Когда новую разработку сможет испытать каждый человек

Результаты можно будет почувствовать косвенно. Если технологию внедрят, через 5–7 лет могут подешеветь электромобили, ветряки или медицинские аппараты МРТ. А первые образцы магнитов, сделанные по этому принципу, уже существуют в лабораториях. Обыватель же «испытает» разработку в тот момент, когда купит ноутбук или наушники с более сильным и дешевым магнитом. Произойдет это не раньше, чем через 3–4 года после старта промышленного производства, а оно только планируется.

Сравнение с аналогами

Прямой аналог — классический электролиз фторидных расплавов. У него недостатки: дорогие фторидные соли, низкий выход по току, анод приходится часто менять. Еще есть способ восстановления металлическим кальцием — он дает чистый неодим, но требует высоких температур, вакуума и стоит еще дороже.
Новый метод выигрывает по трем параметрам:

Критика исследования

Работа выглядит красиво, но авторы приводят стоимость в 5 долларов за килограмм — видимо, без учета амортизации оборудования, зарплат, налогов и сертификации производства. В реальности цена может оказаться выше. Главный подвох в другом: технологию проверили в лаборатории, но не на промышленном масштабе. А при увеличении объемов возникают новые проблемы — нагрев, перемешивание расплава, равномерность осаждения металла. Никто не знает, сработает ли анод так же стабильно на тоннах металла, а не на граммах. Кроме того, сам анод, который «почти не разрушается», — очень важная деталь. Авторы не раскрывают, из какого именно материала он сделан, и как его повторять. Без этого независимые исследователи не смогут воспроизвести результат. Прямо сейчас это научная демонстрация, а не готовая технология для завода.

Ынчжон Ким подводит итог:

Вместе мы показываем, что национальные лаборатории и университеты могут сообща двигать производство в сторону безопасного и устойчивого изготовления материалов.

Ранее мы разбирались, что такое редкоземельные металлы.