Den grønne omstilling kører på magneter. Det er magneter, som får vindturbiner til at køre rundt, Tesla-motorer til at starte og solpaneler til at lade energi.
Magneterne til den grønne teknologi laver man i dag ved hjælp af sjældne jordarter, også kendt som sjældne jordartsmetaller – en samlebetegnelse for en lille snes grundstoffer med esoteriske navne som gadolinium, praseodym og dysprosium og en række nyttige egenskaber, herunder evnen til at magnetisere andre metaller.
Jordarterne er således afgørende, når man vil producere vindmøller eller elbiler. Men de sjældne grundstoffer har en pris.
I de seneste år har Kina sat sig solidt på udvindingen og forarbejdningen af sjældne jordarter, som beskrevet her i avisen (»Metallerne bag Kinas magt«, Samfund, 28. juli): Godt 60 procent af udvindingen foregik i 2021 i Kina, mens landet sidder på hele 85 procent af de forarbejdede sjældne jordartsmetaller, og det kan give problemer.
Dels fordi det udgør en forsyningsmæssig risiko og en sikkerhedspolitisk hovedpine, dels fordi udvindingen af de sjældne jordarter er forbundet med store miljømæssige konsekvenser: De sjældne jordarter bliver udvundet i kolossale åbne miner i Kina, hvor radioaktiv forurening af vandmiljøet og store skader på mennesker og dyreliv har været rapporteret.
Det har fået forskere og virksomheder til at lede efter alternativer til de omkostningstunge grundstoffer. På Aarhus Universitet arbejder forskere således på at udvikle effektive magneter uden sjældne jordarter.
»Vi vil gerne lave bedre magneter ved at forstå dem bedre,« siger Mogens Christensen, som er professor ved Institut for Kemi og Interdisciplinary Nanoscience Center og leder et forskningsprojekt, der skal gøre såkaldte ferritmagneter grønnere og stærkere.
»Vi vil gerne forstå dem fuldstændigt og så have nogle værktøjer, der gør, at vi kan designe dem og lave dem lige præcis, som vi gerne vil have dem.«
En vej uden om Kina
Hos Grundfos, som leverer pumper til både industri og private, har man længe været klar over forsyningsrisikoen forbundet med sjældne jordarter, og derfor traf man for godt ti år siden en beslutning om at arbejde strategisk med forsyningskæden for både magneter og råmaterialer hertil.
»Vi begyndte at kigge på risikoen omkring både tilgængeligheden og de miljømæssige aspekter. Med en ensidig afhængighed af Kina som leverandør er der en åbenlys risiko for, at den geopolitiske situation kan resultere i betydelige eksportbegrænsninger eller endda -forbud, og dermed et pres på at flytte hele produktionen af slutproduktet til Kina,« forklarer Henrik Ørskov, chef for teknologiinnovation hos Grundfos.
»Da traf vi en strategisk beslutning og sagde, at for de magneter, vi producerer in house, vil vi ikke være afhængige af Kina – der vil vi ikke bruge materiale, der på nogen som helst måde har en afhængighed af Kina.«
Hos Grundfos har man derfor etableret en særlig forsyningskæde, hvor virksomheden producerer magneter med sjældne jordartsmetaller fra blandt andet australske leverandører og i tillæg til det har sikret sig gennemsigtighed omkring hele produktionen fra mine til magnet. Sidstnævnte er med forsyningssikkerhed for øje, men måske i endnu højere grad for at sikre så minimal en miljøbelastning som muligt.
Det er altså muligt at skaffe sjældne jordartsmetaller, der er fri for kinesisk indflydelse, men de er typisk dyrere end dem, der kommer fra Kina.
Der findes imidlertid en række andre måder at lave industrielle magneter på, som ikke forudsætter adgang til sjældne jordartsmetaller, og som i øvrigt ikke er underlagt nogen videre forsyningsrisiko. Det fortæller Frede Blaabjerg, som forsker i effektelektronik på Aalborg Universitet og har fulgt området tæt i mange år:
»Der er tekniske løsninger på møller, som ikke behøver sjældne jordartsmagneter, og det har vindmøllefabrikanterne efterhånden rustet sig til. Der er blødere materialer, hvor man frem for at bruge de sjældne jordarter kan magnetisere materialet uden sjældne jordarter ved at bruge noget, der hedder ferritter. Udfordringen er, at magnetfeltet er knap så stærkt, men de er et alternativ i en række sammenhænge.«
Optimerede ferritter
En ferrit er et keramisk materiale, der har den særlige egenskab, at det kan magnetiseres og afmagnetiseres, og så er der rigelige forekomster af både jernoxid og de øvrige metaller, såsom strontium-carbonat, der kan bruges til at producere ferritter.
Produktionen er altså ikke forbundet med nogen forsyningsrisiko, og Frede Blaabjerg vurderer, at man relativt nemt og hurtigt kan opstarte nye produktionsanlæg rundtom i verden, hvis behovet skulle stige.
De ferritbaserede magneter anvendes i dag i alt fra magnetlåse til cirkulationspumper og har været bredt anvendt siden 1960erne.
I mange tilfælde har de dog svært ved at konkurrere med magneter baseret på sjældne jordarter, som er både effektive og kompakte. Bruger man eksempelvis ferritbaserede magneter i motoren på en elbil, vil man således få en motor med mindre kraft, et højere energiforbrug og kortere levetid.
Men Mogens Christensen og hans kolleger på Aarhus Universitet arbejder på at gøre ferritmagneterne mere anvendelige – dels ved at gøre dem stærkere, dels ved at gøre fabrikationen grønnere og nemmere.
»Hvis vi skal lave en grøn omstilling, er magneterne en af de arbejdsheste, der skal lave det arbejde for os. Og der ville det være rart, hvis vi kunne udvikle nogle ferritmagneter, som kan lukke hullet,« siger Mogens Christensen.
»Lad os afsløre det med det samme: Vi får aldrig lavet de her magneter lige så gode, som hvis der var sjældne jordartsmetaller i. Men jo bedre vi gør ferritmagneterne, jo tættere vi kan komme på de sjældne jordartsmagneter, jo større bliver anvendelsespotentialet.«
Det forudsætter forskning i magneternes opbygning på atomart og nanoniveau samt undersøgelse af, hvordan man kan styre og designe ferritmagneternes egenskaber, forklarer Mogens Christensen.
»Det er en udfordring, der strækker sig over cirka syv størrelsesordener, altså fra noget, der er mindre end en millardtedel af en meter, og op til noget, der er på millimeterskala. På alle de størrelsesordener skal vi styre, hvor atomerne sidder i forhold til hinanden.«
En nøgle til fremtiden
Med Ruslands invasion af Ukraine er der blevet sat turbo på Europas grønne omstilling. Det er gået op for EUs statsledere, at vores fossile energiforbrug er med til at finansiere Ruslands krig, og erkendelsen af, at energipolitik er sikkerhedspolitik, har affødt en hidtil uset handlekraft i markedet for vedvarende energi.
Samtidig har corona, krig og stigende fragtpriser gjort det tydeligt, at det kan være farligt at være afhængige af materialer eller komponenter, som kontrolleres af fremmede magter.
Mogens Christensen er overbevist om, at ferritbaserede magneter vil opleve en stigende popularitet inden for de kommende år, i takt med at flere og flere vestlige virksomheder søger at værne sig mod afhængighed af kinesiske råstoffer.
Eksempelvis har Bosch erstattet sjældne jordartsmagneter med ferritmagneter i deres hårde hvidevarer, BMW har udviklet en elbilsmotor baseret på den klassiske induktionsmotor, som heller ikke kræver sjældne jordartsmetaller, og også hos Siemens Gamesa arbejder man på at udfase brugen af sjældne jordartsmetaller ved blandt andet at gøre vindturbinerne fuldt ud genbrugelige.
Ifølge Frede Blaabjerg er ferritmagneternes lave pris også med til at gøre dem til et attraktivt alternativ.
»I sidste ende bliver det også et spørgsmål om, hvad motoren kommer til at koste. Så hvis motoren på grund af de sjældne jordarter bliver dobbelt så dyr som en motor med ferritmagneter, så kan det i en række sammenhænge være et argument for, at man investerer i den billige. Selvom man, hvis man kigger på det over den samlede levetid, vil vinde på at investere i den dyrere motor baseret på sjældne jordarter, fordi virkningsgraden er højere.«
For de europæiske virksomheder, der ønsker at begrænse brugen af sjældne jordartsmetaller i deres produkter, er det paradoksalt nok EU-lovgivning, der er med til at spænde ben for udviklingen. EU har opstillet en række standarder for motorers effektivitetsgrad, og her er det svært for motorer baseret på ferritmagneter at være med.
Mogens Christensen vurderer dog, at EU vil være tvunget til at tage lovgivningen op til revision, skulle den geopolitiske situation ændre sig.
»Det er geopolitik, og man skal ikke tage fejl – lovgivningen afspejler jo også den geopolitiske situation, og hvor nemt det er at få de her råvarer. Jeg kunne nemt forestille mig en situation i eksempelvis Det Sydkinesiske Hav, som kunne få helvede til at bryde løs inden for magnetverdenen. Så er jeg ret sikker på, at så ville EU godt kunne finde ud af at sænke kravene til effektiviteten på sådan en motor.«
