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Des scientifiques innovent avec des aimants sans terres rares pour moteurs industriels

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Entrez dans n'importe quelle usine ou site industriel et vous entendrez le ronronnement rythmé des machines alimentées par des moteurs industriels. Si la plupart de ces machines reposent sur la technologie des moteurs à induction, on observe une tendance croissante vers les moteurs à aimants permanents.

Ces moteurs sont appréciés pour leur rendement supérieur et leurs économies à long terme, notamment dans les industries où les équipements fonctionnent en continu. Mais il y a un hic : les aimants actuellement utilisés sont riches en terres rares, ce qui les rend coûteux et très vulnérables aux perturbations de la chaîne d'approvisionnement.

À l'échelle mondiale, les industries ressentent la crise. Les terres rares, bien qu'essentielles à de nombreuses applications industrielles et de haute technologie, présentent leur lot de problèmes. De la flambée des coûts aux dépendances géopolitiques, ces matériaux posent de sérieux défis économiques et environnementaux. Il n'est donc pas étonnant que scientifiques et ingénieurs scrutent le tableau périodique des éléments à la recherche d'alternatives à la fois abordables et évolutives.

Trouver un aimant exempt de terres rares ne se résume pas à mélanger les bons ingrédients. Ces aimants doivent fonctionner dans des conditions extrêmes. Températures élevées, interférences magnétiques et contraintes mécaniques sont autant de facteurs qui caractérisent le quotidien des moteurs industriels.

La fiabilité d'un aimant repose sur une propriété appelée coercivité. En termes simples, la coercivité mesure la résistance d'un aimant à la perte de ses propriétés magnétiques lorsqu'il est exposé à des champs magnétiques externes ou à des températures élevées. Les moteurs industriels fonctionnent souvent à des températures qui feraient vaciller la plupart des aimants. Une solution viable doit donc maintenir la coercivité même sous haute pression.

C'est ici qu'intervient l'équipe du Laboratoire national Ames du Département de l'Énergie des États-Unis, dirigée par le scientifique Jun Cui. Leur mission : développer un aimant économique et performant sans intervenir sur la chaîne d'approvisionnement en terres rares. Leur réalisation pourrait révolutionner la donne.

L'innovation de l'équipe repose sur un aimant lié à base de manganèse et de bismuth, communément appelé MnBi. La particularité de cet aimant réside dans sa capacité à doubler sa coercivité avec une augmentation de seulement 100 °C (212 °F) par rapport à la température ambiante. Il est donc idéal pour les environnements à haute température des moteurs industriels.

Cui a souligné les implications plus larges de leur découverte : « On ne peut pas tout résoudre avec les terres rares. C’est un terrible gaspillage d’une ressource naturelle essentielle », a-t-il expliqué.

Qu’est-ce qui rend l’aimant MnBi si spécial ? Selon Cui, tout réside dans le procédé de fabrication. Les aimants possèdent des structures microscopiques appelées grains, et la façon dont ces grains interagissent peut améliorer ou réduire leurs performances magnétiques.

« Nous ne voulons pas que ces grains se touchent », a souligné Cui. « S’ils se touchent, ils établiront une sorte de communication, et il suffit d’un seul grain imparfait pour convaincre tout le voisinage et provoquer une perte de magnétisme par avalanche.»

Pour résoudre ce problème, l’équipe a mis au point un procédé méticuleux pour isoler ces grains. Tout d’abord, ils réduisent le matériau en une fine poudre. Chaque particule est ensuite enrobée d'une solution polymère délicate afin d'éviter tout contact grain contre grain. Lors de la fabrication, les particules sont alignées grâce à un champ magnétique externe, ce qui crée un aimant anisotrope avec une direction d'aimantation privilégiée. Cet alignement améliore les performances globales de l'aimant, selon Wei Tang, scientifique du laboratoire Ames.

L'une des caractéristiques remarquables de l'aimant MnBi est l'utilisation de bismuth. Cet élément est non seulement naturellement abondant, mais aussi un sous-produit de la fusion et du raffinage d'autres matériaux. Cui en a souligné les avantages : « L'utilisation d'un sous-produit contribue à la réduction des coûts et à l'efficacité des ressources pour ce matériau, ce qui en fait un choix économique.»

Bien que l'équipe ait dû faire des compromis sur la force magnétique pour obtenir une coercivité élevée, ce compromis répond parfaitement aux besoins de nombreuses applications industrielles. Comme l'a souligné Cui : « Si l'on considère le monde entier, les moteurs peuvent fonctionner sans aimant. En revanche, les moteurs à haut rendement nécessitent des aimants hautes performances. Nous développons une solution intermédiaire et proposons une solution équilibrée : un aimant abordable, non composé de terres rares, pour des applications industrielles ciblées.»

Du laboratoire à l'usine

Plus passionnant encore, la recherche ne reste pas lettre morte. L'équipe a déjà collaboré avec des acteurs de l'industrie pour tester l'aimant MnBi dans des applications concrètes. L'une de ces collaborations a porté sur un moteur de pompe industrielle, qui a non seulement respecté, mais légèrement dépassé, les spécifications de conception.

La phase de tests est désormais passée aux tests d'endurance, ou « tests de fatigue », qui permettent d'évaluer les performances à long terme de l'aimant. Tang a partagé son enthousiasme : « Je suis enthousiaste, car nous menons de nombreuses recherches, et certaines d'entre elles viennent d'être publiées dans un article. Mais cet aimant est un matériau non-terres rares, ce qui est très important. Et nous sommes très proches de ses applications concrètes. En cas de succès, ce serait la première application industrielle au monde de l'aimant MnBi non-terres rares.»

L'équipe du Laboratoire national Ames, géré par l'Université d'État de l'Iowa et soutenu par le Département de l'Énergie des États-Unis, ouvre la voie à un nouveau chapitre de la conception de moteurs industriels. Leurs travaux s'attaquent non seulement aux défis techniques liés aux performances des aimants, mais aussi aux coûts économiques et environnementaux associés aux matériaux à base de terres rares.

Cui a parfaitement résumé la motivation de l'équipe : « En tant que scientifique, la récompense ultime est de voir son travail avoir un impact concret. » Alimenter durablement l'industrie de demain

Alors que les industries du monde entier sont confrontées au double défi de l'efficacité énergétique et de la raréfaction des ressources, des innovations comme l'aimant MnBi arrivent à point nommé. En éliminant le besoin de terres rares, cette avancée offre une solution plus durable et plus rentable aux fabricants du monde entier.

Avec des tests en conditions réelles déjà en cours et des résultats prometteurs à l'horizon, ce n'est qu'une question de temps avant que ces aimants sans terres rares ne trouvent leur place dans les usines et les industries du monde entier.
NJC.© Info rare earth materials  Ames National Laboratory

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13/05/25-English

Scientists Break New Ground with Rare Earth-Free Magnets for Industrial Motors

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Step onto any factory floor or industrial plant, and you’ll hear the rhythmic hum of machinery powered by industrial motors. While most of these workhorses rely on induction motor technology, there’s a growing shift toward permanent magnet motors.

These motors are prized for their superior efficiency and long-term cost savings, especially in industries where equipment runs non-stop. But there’s a catch: the magnets currently used are packed with rare earth materials, making them expensive and highly susceptible to supply chain disruptions.

Globally, industries are feeling the pinch. Rare earth elements, while essential in many high-tech and industrial applications, come with their fair share of problems. From skyrocketing costs to geopolitical dependencies, these materials pose serious economic and environmental challenges. It’s no wonder that scientists and engineers have been scouring the periodic table for alternatives that are both affordable and scalable.

Finding a magnet that doesn’t rely on rare earth elements isn’t just a matter of mixing the right ingredients. These magnets need to perform under extreme conditions. High temperatures, magnetic interference, and mechanical stress are all in a day’s work for industrial motors.

Central to a magnet’s reliability is a property known as coercivity. Simply put, coercivity measures a magnet’s resistance to losing its magnetic properties when exposed to external magnetic fields or high temperatures. Industrial motors often operate at temperatures that would make most magnets wave the white flag. A viable solution, therefore, needs to maintain coercivity even when the heat is on.

Enter the team at the U.S. Department of Energy’s Ames National Laboratory, led by scientist Jun Cui. Their mission: develop a cost-effective, high-performance magnet without touching the rare earth supply chain. What they’ve achieved could be a game-changer.

The team’s innovation centres around a bonded magnet made from manganese and bismuth, commonly referred to as MnBi. The standout feature of this magnet is its ability to double its coercivity with just a 100°C (212°F) increase from room temperature. This makes it ideal for the high-heat environments of industrial motors.

Cui emphasised the broader implications of their breakthrough: “You cannot use rare earths to solve everything. That’s an awful waste of a critical natural resource,” he explained.

So, what makes the MnBi magnet so special? According to Cui, it all boils down to the manufacturing process. Magnets have microscopic structures called grains, and how these grains interact can make or break magnetic performance.

“We don’t want those grains to touch each other,” Cui noted. “If they touch, they will establish some sort of a communication, and it takes only one imperfect grain to convince the whole neighbourhood and create an avalanche-loss of magnetism.”

To tackle this, the team developed a meticulous process to isolate these grains. First, they reduce the material to a fine powder. Then, each particle is coated with a delicate polymer solution to prevent grain-to-grain contact. During fabrication, the particles are aligned using an external magnetic field, resulting in an anisotropic magnet with a preferred direction of magnetisation. This alignment boosts the magnet’s overall performance, according to Ames Lab scientist Wei Tang.

One of the standout features of the MnBi magnet is its use of bismuth. This element is not only naturally abundant but also a byproduct of smelting and refining other materials. Cui highlighted the benefits: “Utilising a byproduct contributes to cost saving and resource efficiency for this material, making it an economical choice.”

While the team did have to compromise on some magnetic force to achieve high coercivity, this trade-off suits the needs of many industrial applications perfectly. As Cui pointed out: “If we look at the whole world right now, actually, motors can operate without magnets. But on the other side, high efficiency motors require high-performance magnets. We are developing something in between, and offering a balanced solution: an affordable, non-rare-earth magnet for targeted industrial tasks.”
From Lab to Factory Floor

What’s even more exciting is that the research isn’t just gathering dust on a laboratory shelf. The team has already partnered with industry players to test the MnBi magnet in real-world applications. One such collaboration involved an industrial pump motor, which not only met but slightly exceeded design specifications.

The testing phase has now advanced to endurance or “fatigue tests,” where the magnet’s long-term performance is being scrutinised. Tang shared his enthusiasm: “I am excited because we’re doing lots of research, and some research just gets published in a paper. But this magnet is non-rare earth, which is very significant. And we are very close to achieving real-world applications for this magnet. If successful, this would be the first in the world for industrial application of the non-rare-earth MnBi magnet.”

The team at Ames National Laboratory, operated by Iowa State University and supported by the U.S. Department of Energy, is setting the stage for a new chapter in industrial motor design. Their work not only tackles the technical challenges of magnet performance but also addresses the economic and environmental costs associated with rare earth materials.

Cui summed up the team’s motivation perfectly: “As a scientist, the ultimate reward is seeing your work make a real-world impact.”
Powering Tomorrow’s Industry, Sustainably

As industries worldwide grapple with the twin challenges of energy efficiency and resource scarcity, innovations like the MnBi magnet couldn’t come at a better time. By eliminating the need for rare earth elements, this breakthrough offers a more sustainable, cost-effective path forward for manufacturers everywhere.

With real-world testing already underway and promising results on the horizon, it’s only a matter of time before these rare earth-free magnets find their place in factories, plants, and industries across the globe.
NJC.© Info rare earth materials  Ames National Laboratory

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13/05/25-NL

Wetenschappers betreden baanbrekend terrein met zeldzame-aardevrije magneten voor industriële motoren

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Stap eens een fabrieksvloer of industriële installatie binnen en je hoort het ritmische gezoem van machines die worden aangedreven door industriële motoren. Hoewel de meeste van deze werkpaarden afhankelijk zijn van inductiemotortechnologie, is er een groeiende verschuiving naar motoren met permanente magneten.

Deze motoren worden gewaardeerd om hun superieure efficiëntie en kostenbesparingen op de lange termijn, vooral in sectoren waar apparatuur non-stop draait. Maar er is een addertje onder het gras: de magneten die momenteel worden gebruikt, zitten boordevol zeldzame-aardematerialen, waardoor ze duur zijn en zeer gevoelig voor verstoringen in de toeleveringsketen.

Wereldwijd voelen industrieën de druk. Zeldzame-aarde-elementen, hoewel essentieel in veel hightech- en industriële toepassingen, brengen de nodige problemen met zich mee. Van torenhoge kosten tot geopolitieke afhankelijkheid, deze materialen vormen ernstige economische en ecologische uitdagingen. Het is geen wonder dat wetenschappers en ingenieurs het periodiek systeem hebben afgespeurd naar betaalbare en schaalbare alternatieven.

Het vinden van een magneet die niet afhankelijk is van zeldzame aardmetalen is niet alleen een kwestie van de juiste ingrediënten mengen. Deze magneten moeten onder extreme omstandigheden presteren. Hoge temperaturen, magnetische interferentie en mechanische belasting zijn dagelijkse kost voor industriële motoren.

Centraal voor de betrouwbaarheid van een magneet staat een eigenschap die coërciviteit wordt genoemd. Simpel gezegd meet coërciviteit de weerstand van een magneet tegen het verlies van zijn magnetische eigenschappen bij blootstelling aan externe magnetische velden of hoge temperaturen. Industriële motoren werken vaak bij temperaturen waarbij de meeste magneten de witte vlag zouden laten wapperen. Een haalbare oplossing moet daarom coërciviteit behouden, zelfs onder hoge druk.

Bekijk het team van het Ames National Laboratory van het Amerikaanse Ministerie van Energie, onder leiding van wetenschapper Jun Cui. Hun missie: een kosteneffectieve, hoogwaardige magneet ontwikkelen zonder de toeleveringsketen van zeldzame aardmetalen aan te tasten. Wat ze hebben bereikt, zou wel eens baanbrekend kunnen zijn.

De innovatie van het team draait om een ​​gebonden magneet gemaakt van mangaan en bismut, beter bekend als MnBi. De meest opvallende eigenschap van deze magneet is het vermogen om zijn coërciviteit te verdubbelen met een temperatuurstijging van slechts 100 °C (212 °F) ten opzichte van kamertemperatuur. Dit maakt hem ideaal voor de zeer hete omgevingen van industriële motoren.

Cui benadrukte de bredere implicaties van hun doorbraak: "Je kunt zeldzame aardmetalen niet gebruiken om alles op te lossen. Dat is een vreselijke verspilling van een cruciale natuurlijke hulpbron", legde hij uit.

Dus, wat maakt de MnBi-magneet zo bijzonder? Volgens Cui komt het allemaal neer op het productieproces. Magneten hebben microscopisch kleine structuren, korrels genaamd, en de manier waarop deze korrels met elkaar interacteren, kan de magnetische prestaties maken of breken.

"We willen niet dat die korrels elkaar raken", merkte Cui op. "Als ze elkaar raken, ontstaat er een soort communicatie, en er is slechts één imperfect korreltje nodig om de hele buurt te overtuigen en een lawine aan magnetisme te veroorzaken."

Om dit aan te pakken, ontwikkelde het team een ​​nauwgezet proces om deze korrels te isoleren. Eerst reduceren ze het materiaal tot een fijn poeder. Vervolgens wordt elk deeltje bedekt met een delicate polymeeroplossing om contact tussen de korrels te voorkomen. Tijdens de productie worden de deeltjes uitgelijnd met behulp van een extern magnetisch veld, wat resulteert in een anisotrope magneet met een voorkeursrichting voor de magnetisatie. Deze uitlijning verbetert de algehele prestaties van de magneet, aldus Wei Tang, wetenschapper bij Ames Lab.

Een van de meest opvallende kenmerken van de MnBi-magneet is het gebruik van bismut. Dit element is niet alleen van nature overvloedig aanwezig, maar is ook een bijproduct van het smelten en raffineren van andere materialen. Cui benadrukte de voordelen: "Het gebruik van een bijproduct draagt ​​bij aan kostenbesparing en een efficiënt gebruik van grondstoffen voor dit materiaal, waardoor het een economische keuze is."

Hoewel het team weliswaar wat magnetische kracht moest inleveren om een ​​hoge coërciviteit te bereiken, voldoet deze afweging perfect aan de behoeften van veel industriële toepassingen. Zoals Cui opmerkte: "Als we naar de hele wereld kijken, kunnen motoren eigenlijk zonder magneten werken. Maar aan de andere kant vereisen hoogrendementsmotoren krachtige magneten. Wij ontwikkelen iets daartussenin en bieden een evenwichtige oplossing: een betaalbare, niet-zeldzame-aarde-magneet voor specifieke industriële taken."
Van lab naar fabrieksvloer

Wat nog spannender is, is dat het onderzoek niet alleen maar stof staat te verzamelen op een laboratoriumplank. Het team is al een samenwerking aangegaan met spelers uit de industrie om de MnBi-magneet in de praktijk te testen. Een van die samenwerkingen betrof een industriële pompmotor, die niet alleen voldeed aan de ontwerpspecificaties, maar deze zelfs licht overtrof.

De testfase is nu gevorderd tot de duur- of "vermoeiingstests", waarbij de prestaties van de magneet op lange termijn onder de loep worden genomen. Tang deelde zijn enthousiasme: "Ik ben enthousiast omdat we veel onderzoek doen, en sommige onderzoeken worden gewoon gepubliceerd in een artikel. Maar deze magneet is niet-zeldzame aardmetalen, wat zeer belangrijk is. En we zijn heel dicht bij het bereiken van praktische toepassingen voor deze magneet. Als dit lukt, zou dit de eerste industriële toepassing ter wereld zijn van de niet-zeldzame aardmetalen MnBi-magneet."

Het team van Ames National Laboratory, beheerd door Iowa State University en ondersteund door het Amerikaanse ministerie van Energie, legt de basis voor een nieuw hoofdstuk in het ontwerp van industriële motoren. Hun werk pakt niet alleen de technische uitdagingen van magneetprestaties aan, maar ook de economische en milieukosten die gepaard gaan met zeldzame aardmetalen.

Cui vatte de motivatie van het team perfect samen: "Als wetenschapper is de ultieme beloning dat je werk een impact in de echte wereld heeft." De industrie van morgen duurzaam aandrijven

Nu industrieën wereldwijd worstelen met de dubbele uitdaging van energie-efficiëntie en grondstoffenschaarste, komen innovaties zoals de MnBi-magneet op het juiste moment. Door de noodzaak van zeldzame aardmetalen te elimineren, biedt deze doorbraak fabrikanten wereldwijd een duurzamere en kosteneffectievere toekomst.

Met praktijktesten die al gaande zijn en veelbelovende resultaten in het verschiet, is het slechts een kwestie van tijd voordat deze magneten zonder zeldzame aardmetalen hun plaats vinden in fabrieken, installaties en industrieën over de hele wereld.
NJC.© Info rare earth materials  Ames National Laboratory

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