Использование постоянных магнитов для питания электродвигателей вызывает все больший интерес. В частности, такие магниты значительно повышают производительность двигателя. Они используются, например, в электромобилях, ветряных турбинах, кондиционерах, беспилотниках и большинстве робототехнических конструкций. Фактически, 80 % современных электромобилей работают на двигателях с постоянными магнитами.
Однако для изготовления таких магнитов требуется большое количество редкоземельных элементов, таких как неодим и диспрозий. Добыча этих элементов требует агрессивных и энергоемких процессов химической обработки, поскольку в месторождениях они рассеяны в очень малых количествах. Самые крупные месторождения содержат всего около 5 % редкоземельных элементов, в то время как средний показатель составляет всего 1 %. Поэтому их добыча оказывает серьезное воздействие на окружающую среду. При этом количество используемых редкоземельных элементов имеет решающее значение для работы двигателя.
Только для электромобилей, по оценкам Material Nexus, спрос на редкоземельные магниты к 2030 году вырастет в десять раз. С другой стороны, Китай обладает монополией на добычу, добывая 70 % редкоземельных металлов в мире и перерабатывая 90 %. Это создает геополитические проблемы и делает других поставщиков уязвимыми к перебоям в поставках и колебаниям цен. В настоящее время предложение не поспевает за спросом, что привело к росту цен примерно на 100 % за последние четыре года.
Для преодоления этих проблем были предложены постоянные магниты, не содержащие редкоземельных элементов. Однако разработать магниты, которые одновременно не содержат редкоземельных металлов и достаточно эффективны для применения в электродвигателях, крайне сложно. Независимо от области применения, открытие новых материалов — это медленный процесс, основанный, как правило, на методе проб и ошибок, который неизбежно требует больших ресурсов. Именно поэтому прогресс в области материалов отстает от других промышленных инноваций.
Чтобы преодолеть эту трудность, компания Material Nexus предлагает использовать искусственный интеллект для ускорения процесса разработки постоянных магнитов. При поддержке Института Генри Ройса и Шеффилдского университета они в рекордные сроки разработали MagNex, новый постоянный магнит без содержания редкоземельных элементов. Новый материал оптимизирован не только с точки зрения характеристик, но и с точки зрения цепочки поставок сырья, необходимого для его производства.
По словам Джонатана Бина, генерального директора компании, «разработка материалов на основе искусственного интеллекта окажет влияние не только на магнетизм, но и на всю область материаловедения. Теперь мы определили масштабируемый метод проектирования новых материалов для всех типов промышленных нужд».
Сокращение выбросов углекислого газа на 70 %
Чтобы определить новый материал, команда Material Nexus проанализировала более 100 миллионов кандидатов в постоянные магниты без редкоземельных металлов с помощью своей платформы искусственного интеллекта. Чтобы выбрать лучшие материалы, модель учитывала такие ключевые переменные, как стоимость, надежность цепочки поставок, производительность и воздействие на окружающую среду.
Исследователи выделили, синтезировали и протестировали MagNex всего за 3 месяца — в 200 раз быстрее, чем при ручном способе. Для сравнения: на открытие стандартного (редкоземельного) постоянного магнита, используемого сегодня в промышленности, ушли десятилетия, а на его разработку и применение в технологиях, которые мы используем сегодня, — еще больше. Более того, новый материал можно производить всего за 20 % от стоимости редкоземельных постоянных магнитов, а выбросы углерода на килограмм материала сокращаются на 70 %.
По словам Брюса Аддерли, директора отдела Make & Use — Net-Zero в Innovate UK (национальное агентство по технологическим инновациям Великобритании), «это может оказать значительное влияние на наши амбиции по достижению нулевого уровня выбросов за счет возобновляемых источников энергии и низкоуглеродного транспорта, устранив необходимость использования редкоземельных элементов в высокоэффективных постоянных магнитах«.
Кроме того, этот подход может быть применен и в других областях, имеющих отношение к «зеленому» переходу, таких как полупроводники, сверхпроводники и катализаторы. По словам Бина, их платформа искусственного интеллекта уже привлекла значительный интерес в этом направлении.
Источник: Новая Наука