Hacia nuevos imanes industriales más eficientes y sostenibles

Hidrógeno, helio, litio, berilio, boro, carbono. En una clase cualquiera de física y química de cualquier instituto de educación secundaria, toca aprenderse la tabla periódica. Los veinte primeros elementos, luego por columnas. Si el profesor o profesora no es especialmente exigente, perdonará dos filas que quedan arrinconadas fuera de la tabla. En una de ellas se agrupan la mayoría de las conocidas como tierras raras. Un tipo de metales a los que se les quedó la coletilla de raros no porque sean particularmente difíciles de hallar en la naturaleza, sino por lo excepcional de encontrarlos de manera pura: suelen estar incrustados en minerales. Hasta mediados del siglo XX no se les prestó mucha atención, igual que en las clases del instituto; pero en el XXI, son elementos cruciales para el orden mundial.

Las tierras raras se usan actualmente para construir baterías, armas, pantallas, en radiodiagnóstico. Lo que los volvió esenciales fue el descubrimiento de sus increíbles propiedades magnéticas. De la fórmula que combina una de esas tierras raras, el neodimio, con el hierro y con el boro, sale el imán más potente que ha inventado el ser humano fuera de laboratorio. NdFeB, un superimán que desarrolló General Motors en 1982. Puede llegar a emitir hasta diez veces más energía magnética que los imanes de ferritas, como se llama a los que están basados en óxido de hierro mezclado con bario o con estroncio, y que han sido durante décadas los más empleados en fabricación.

Con los imanes se puede almacenar, convertir y producir energía eléctrica y mecánica. Si son superimanes, se puede hacer en grandes cantidades. Así que los usos de los imanes de neodimio-hierro-boro en el mundo moderno son todos los que podamos imaginar. Los tenemos en los motores con los que transportamos cargas enormes. En elementos del presente y futuro como las turbinas eólicas de los molinos de viento y los coches eléctricos; en imagen médica; en ordenadores y teléfonos móviles; en las lavadoras. Están por todas partes.

El proyecto Amphibian trabaja en la mejora de los imanes de ferritas tradicionales, más asequibles y sostenibles que los ubicuos superimanes de neodimio

 

Y aquí entra la geopolítica. En primer lugar, la extracción de las tierras raras implica una gran paradoja, teniendo en cuenta que se usan en un proceso que forma parte de la generación de productos de energía limpia: suele conllevar altos niveles de contaminación ambiental porque libera materiales radioactivos. En segundo lugar, alrededor del 40% de las reservas conocidas de tierras raras están en China. Para hacerse una idea, los dos siguientes países del ranking, Vietnam y Brasil, poseen cada uno aproximadamente la mitad de cantidad. China controla además, no sólo las reservas, sino el 80% de la producción de tierras raras. Cuando le ha convenido, el gigante asiático ha cerrado el grifo de las tierras raras; o ha multiplicado sus cuotas de exportación por cuatro. La Unión Europea (UE) importa desde China el 98% del neodimio que necesita, datos parecidos a los de Reino Unido. En todo EEUU solo se conoce una mina de este metal, que además ha tenido que ser cerrada varias veces.

Por eso el neodimio está junto a las otras 16 tierras raras en la lista de “materias primas críticas” que elabora la UE. Una lista de elementos que aúnan varias condiciones que, juntas, son fatales: difíciles de conseguir, poco sostenibles, que vuelven al continente muy dependiente del exterior… y también ultranecesarios para el desarrollo tecnológico e industrial. 

El proyecto Amphibian

Centenares de proyectos políticos y científicos intentan desde hace tiempo buscar alternativas a esta gran dependencia de China. Uno de ellos lo coordinó el Consejo Superior de Investigaciones Científicas entre once socios europeos (provenientes de Noruega, Dinamarca, Eslovenia, Alemania e Italia), desde enero de 2017 hasta diciembre de 2019. Con un presupuesto de 4,9 millones de euros provenientes de la UE. Es el proyecto Amphibian. 

Algunas vías alternativas al neodimio que se exploran consisten en reciclar o reducir sus cantidades en los productos derivados. Pero lo que intenta Amphibian es sustituirlo en esos productos por otros materiales: por imanes de ferritas, de óxidos de hierro. Los que son, recordemos, mucho menos potentes: el campo magnético resultante de los de neodimio puede llegar a 1,2 Tesla; el creado por ferritas, a 0,4.

El proyecto Amphibian está intentando reemplazar el neodimio con otros materiales. / Álvaro Muñoz Guzmán

Pero tienen otras comparaciones más ventajosas, que tienen en cuenta en Amphibian: el precio de un kilo de ferritas ronda los 1,5 euros; el de un kilo de neodimio magnético, oscila una horquilla entre 60 y 100. Sus minas son mucho más accesibles alrededor del planeta y su extracción es menos contaminante. Además, el neodimio está tan normalizado que en algunas aplicaciones cotidianas que realmente no requerirían de tanta potencia magnética, emplearlo equivale a “matar moscas a cañonazos”, resume el director de Amphibian, Adrián Quesada, investigador en el Instituto de Cerámica y Vidrio (ICV-CSIC). Así que lo inteligente es no recurrir a ello, si es posible.

¿Cómo y dónde llevar a cabo entonces la sustitución de un superimán por un imán normalito? Lo primero que se propusieron en Amphibian fue mejorar esos imanes normalitos: conseguir imanes de ferritas capaces de alcanzar campos magnéticos de 0,5 tesla, por encima del 0,4 de los habituales. “Normalmente contienen solo ferrita y tienen un rendimiento máximo posible. Lo que hacemos es añadirle otro material magnético para aumentar ese rendimiento. Las ferritas presentan tantas ventajas con respecto de los imanes de tierras raras que hacen que incluso mejoras del 20% conllevan que merezca la pena estudiar una posible sustitución”, indica Quesada. El método inicial: “Probamos a mezclar partículas metálicas esféricas, pero eso no mejoraba las propiedades”. Por el tamaño y sobre todo por la forma: que se tratase de esferas grandes hacía que las líneas de campo magnético tuviesen más espacio para cerrarse, y por tanto el conjunto se desimantara. Un rompecabezas, hasta que todo encajó: lo que añadieron finalmente, dispersados, fueron nanohilos de hierro cobalto.  “Esa suma sí se comporta como un imán mejorado y robusto”.

Los imanes de neodimio-hierro-boro se aplican en motores, turbinas eólicas y coches eléctricos; en imagen médica, ordenadores y teléfonos móviles

 

Eso es el cómo. ¿Y el dónde? De momento, del proyecto han salido dos patentes. Una, los imanes de ferrita con nanohilos incrustados. Otra, su aplicación práctica: volantes de inercia en los que se mezclan los de imanes de ferrita mejorados, con imanes de neodimio. Es decir, siguen necesitando de tierras raras, pero en mucha menor cantidad. “La imagen que tenemos de los volantes de inercia son los anillos que se utilizaban en los castillos, los que levantaban las puertas enrollando cuerdas a su alrededor”, ilustra Quesada. En el año 2022, esos volantes de inercia son discos de hierro que levitan magnéticamente y que, rotando a mucha velocidad, funcionan como una especie de baterías que sirven para almacenar energía y para suministrarla de manera muy rápida. Se pueden emplear para almacenar energía generada en turbinas eólicas o paneles solares. Los volantes de inercia desarrollados en Amphibian están siendo comercializados por Wattsup Power en Dinamarca, y consiguen hacer levitar al disco metálico usando solo 0,8 Tesla, en lugar de los 1,2 Tesla que usaban con anterioridad. 

Por ahora, el problema de los imanes de ferrita mejorados es que “es muy sofisticado, y por lo tanto caro, producir los nanohilos” para que tengan utilidad por sí solos. Por ahí va la continuación de la investigación de Amphibian: “El ritmo inicial en 2019 era de miligramos por semana. Actualmente estamos trabajando, en colaboración con la Universidad Complutense de Madrid, en producir gramos por semana. Todavía no lo suficiente para hacer un producto comercial, para el cual se necesitan kilos por semana”. Siguen en ello porque la investigación del siglo XXI pasa por, conjuntamente, como ha trabajado Amphibian, encontrar alternativas a la extracción contaminante y a los monopolios geoestratégicos.

Belén Remacha / CSIC Comunicación