Magneten met hoog vermogen ondersteunen een enorm 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 is mijnbouw en raffinage nodig zeldzame aardelementen– een toeleveringsketen die grotendeels wordt gecontroleerd door China.
Bedrijven over de hele wereld haasten zich om alternatieven te vinden door materialen te 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 aardmagneet kan benaderen, 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 ingesteld op zeldzame aardmetalen, en dat is voor ons een groot voordeel 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 voor ongeveer 90% van de raffinage (inclusief erts dat wordt gewonnen in en verscheept vanuit de VS). Volgens het Amerikaanse ministerie van Energie levert het ook meer dan 90% van de zeldzame aardmagneten. Geopolitieke spanningen brengen dat 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, zegt hij: “Al deze landen buiten China hebben hetzelfde probleem.” Buiten de VS is Niron van plan een fabriek ergens in Europa en een andere in Azië te bouwen. “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 jacht naar alternatieven voor een van deze zeldzame aardmetalen: neodymium. Het is gelegeerd met twee andere metalen om ’s werelds populairste magneet te maken. “Neodymium-ijzerborium is de beste permanente magneet die er is. En niemand is ook maar in de buurt gekomen”, zegt Nicola Morley, hoogleraar materiaalfysica aan de Universiteit van Sheffield in Engeland. Ze 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 van de ministeries van Energie en Defensie, om zijn exotische formule op te bouwen.
De wereld zou in 2026 eindelijk kunnen ontdekken hoe goed de technologie van Niron werkt, als er wordt gezegd dat magneten uit de pilotfaciliteit in Minneapolis in de luidsprekers voor thuisgebruik zullen verschijnen. Motoren in apparaten zoals wasmachines, wasdrogers en airconditioners zullen volgens planning volgen in 2026 of 2027.
Niron brak in september de grond af van zijn eerste volledige fabriek in Sartell, Minnesota, en verwacht tegen begin tot midden 2027 1.500 ton magneten per jaar te gaan 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. Daarna komen de fabrieken in Europa en Azië. Niron heeft geen plannen om er een licentie voor te verlenen technologie. “Wij willen een full-service magneetproducent zijn”, zegt Rowntree.
Het is niet zeker wanneer er extra fabrieken zullen openen, en wanneer er magneten zullen 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 het langst duren.” Niron zegt alleen dat het ‘bezig is’ met defensie-aannemers.
Een rivaliserende magneet bouwen
Het wordt vrij snel technisch als het over Niron gaat. Maar details zijn van belang om te bepalen of het zijn ambitieuze bedrijfsdoelen kan bereiken, inclusief een beursgang, wat volgens Rowntree ‘over een paar jaar zal gebeuren’.
Niron heeft verschillende patenten voor de ijzernitridetechnologie, waaronder een voor de manier waarop een bepaalde rangschikking van de chemische verbinding kan worden vervaardigd – zowel in de moleculen als in de manier waarop ze kristallen vormen – door deze in een zogenaamde ‘alfa dubbele prime-fase’ te krijgen en te houden.
Rowntree formuleert dat in wat eenvoudiger bewoordingen en zegt dat de atomen ‘in een zodanige structuur zijn gerangschikt dat de stikstofatomen de structuur enigszins buigen’, waardoor een groter magnetisme ontstaat. Dit is vergelijkbaar met neodymiummagneten, waarbij, zoals Morley het zegt, “borium de structuur van de kristallen feitelijk uitrekt”.
Een andere uitdaging was het om deze kleine kristallen in grote magneten te krijgen. Alle hoogwaardige magneetproductie begint met materiaal in poedervorm. Vervolgens wordt een magnetisch veld aangelegd om deze korrels uit te lijnen, zodat hun magnetische polen allemaal dezelfde kant op wijzen. Vervolgens worden de korrels samengeperst. Ten slotte wordt bij zeldzame-aardemagneten hoge hitte toegepast om de korrels aan elkaar te plakken.
Maar hitte zou het materiaal van Niron verwoesten, dus ontwikkelden de wetenschappers van het bedrijf een oplossing om de magneten te verdichten. “Er zat, zou ik zeggen, een geheime saus in de productie van de nanoschaal, de fase die we willen, en het behouden van die fase”, zegt Rowntree. “En dan is er veel technologie in de buurt: ‘Hoe kun je dat kosteneffectief 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. Het verwacht uiteindelijk het niveau van neodymium te benaderen, waardoor het een waardige concurrent zal worden.
Wat Niron nog niet publiekelijk heeft onthuld, is hoe goed de magneten stand kunnen houden bij blootstelling aan sterke magnetische velden in apparaten zoals EV-motoren. Op een gegeven moment kunnen dergelijke spanningen ervoor zorgen dat de kleine magnetische gebieden in een magneet door elkaar worden gehaald, zodat ze elkaar opheffen en er slechts een klomp nutteloos metaal van wordt.
Niron zegt dat het vermogen van zijn magneet om te voorkomen dat hij bij kamertemperatuur wordt gedemagnetiseerd nooit zo goed zal zijn als bij zeldzame aardmetalen, maar hij streeft ernaar dichtbij genoeg te komen.
Dus Niron begint met het plaatsen van zijn magneten in luidsprekers, omdat ze een kleiner magnetisch veld produceren, terwijl hij 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 kunnen zijn of beter kunnen presteren, maar zegt dat het ook de krachtigere zeldzame-aardemagneten in duurdere luidsprekers zal vervangen.
Wat de meer veeleisende toepassingen betreft, Niron en Stellantis kondigden in oktober een samenwerking aan om nieuwe motorontwerpen voor elektrische voertuigen te ontwikkelen. 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 de straalmotor. Het wordt voor beide magneettypen te heet en vereist een nog duurder zeldzaam aardmetaal: samarium.
Het leveren van magneten voor auto’s en vliegtuigen (en windturbines) ligt nog jaren in de toekomst. Maar als de makers van audioapparatuur zich aan het schema houden dat Niron voorspelt, zullen veel vragen volgend jaar 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.
