أخبار:ساجاوا وكروات تكرمهما IEEE لاختراع المغناطيس الدائم

• معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات يكرم ماساتو ساگاوا وجون كروات لاختراعهما المغناطيس الدائم.

ماساتو ساگاوا وجون كروات يوضحان كيف اخترعا مغناطيس النيوديميوم-الحديد والبورون (المغناطيس الذي صنع العالم الحديث).

في 21 يونيو 2022، قامت IEEE مؤخراً بتكريم ساگاوا وكروات من خلال منحهما وسامين لتقنيات البيئة والسلامة في قمة الرؤية والابتكار والتحديات لعام 2022. تحدثت IEEE Spectrum مع المخترعين، بما في ذلك مقابلة استمرت ساعة مع كليهما (المرة الثانية فقط التي تمت فيها مقابلة الاثنين معاً). لقد كشفا عن أسبابهما للتركيز على عنصر النيوديميوم النادر، والتحديات الرئيسية التي واجهاها في صنع مغناطيس تجاري منه، وصفقة الملكية الفكرية غير العادية التي سمحت لكل من GM و سموميتومو بتسويق مغناطيسهما في جميع أنحاء العالم، وآرائهم حول ما إذا كان سيكون هناك مغناطيس دائم ناجح لا يستخدم العناصر الأرضية النادرة.

• حاولتما صنع مغناطيس أرخص، كما فهمنا، لكنك لم تكن تحاول أن تصنع واحداً أقوى، على الرغم من أن هذا هو الحال. ما الذي جعلك تعتقد أنه يمكنك صنع مغناطيس أرخص؟

جون كروات:

حسناً، مشكلة السماريوم-الكوبالت ... كانت مغناطيساً ممتازاً. وقد تمتع بخصائص درجة حرارة جيدة. ربما تكون قد سمعت العبارة القائلة بأن المعادن الأرضية النادرة ليست نادرة حقاً، لكن السماريوم هو أحد أكثر العناصر النادرة. إنه يشكل حوالي 0.8 في المائة فقط من تركيبة الخامات التي يتم استغلالها عادة اليوم للمعادن الأرضية النادرة. لذلك كانت فزاً أرضياً نادراً باهظ الثمن إلى حد ما. وبالطبع، كان الكوبالت باهظ الثمن. خلال سنواتي الأولى في مختبرات أبحاث جنرال موتورز، كانت هناك حرب في زائير وسط إفريقيا المعروفة الآن باسم جمهورية الكونغو الديمقراطية، وهي مورد كبير للكوبالت. وارتفع سعر الكوبالت إلى ما يقارب 45 دولاراً للكيلوجرام. تذكر، كان هذا في السبعينيات، لذا فقد أوقف بحثنا بشكل أساسي عن مغناطيس السماريوم-الكوبالت.

• ماساتو، ماذا تتذكر؟ ماذا تتذكر عن حالة سوق المغناطيس الدائم والتكنولوجيا في السبعينيات في اليابان؟

ماساتو ساگاوا:

انضممت إلى فوجي‌تسو في عام 1972، وهذا في نفس العمر مع جون. وقد عُينت من الشركة لتحسين مغناطيس السماريوم-الكوبالت، لتحسين القوة الميكانيكية. لكني تساءلت لماذا لا يوجد مركب حديد. الحديد أرخص بكثير وأكثر [وفرة] من الكوبالت، وللحديد عزم مغناطيسي أعلى من الكوبالت. لذلك إذا كان بإمكاني إنتاج مغناطيس من الحديد الأرضي النادر، فقد اعتقدت أنه سيكون لدي قوة مغناطيسية أعلى وتكلفة أقل بكثير. لذلك بدأت في البحث عن السماريوم - الكوبالت - أو مركب الحديد الأرضي النادر. لكنه موضوع رسمي في فوجي‌تسو. وعملت بجد على السماريوم-الكوبالت. ونجحت في تطوير مغناطيس السماريوم-الكوبالت بقوة عالية. وطلبت من الشركة العمل على مغناطيس دائم لمركب حديدي أرضي نادر. لكن لم يُسمح لي. لكن كان لدي فكرة. الفلز الأرضي النادرة والحديد، كما أعتقد، كمية صغيرة من العناصر المضافة مثل بعض الكربون أو البورون، والتي من المعروف أن قطرها الذري صغير جداً. درست المعادن الأرضية النادرة والحديد والبورون أو المعادن الأرضية النادرة والحديد والكربون. لذلك تحت الأرض، قمت بهذا البحث لعدة سنوات. وقد وصلت إلى النيوديميوم-البورون بعد عدة سنوات. كان ذلك في عام 1982.

جون كروات

• ما الذي جعلك تركز على النيوديميوم والحديد والبورون؟ لماذا تلك؟

كروات:

حسناً، بالطبع، عندما تم تطوير مغناطيس السماريوم-الكوبالت، فكر الجميع في هذا المجال في تطوير مغناطيس نادر كعدني أرضي والحديد لأن الحديد حر تقريباً مقارنة بالكوبالت. الآن، فيما يتعلق بالمعادن الأرضية النادرة، كما قلت، فإن المعادن الأرضية النادرة ليست نادرة حقاً. تشكل المعادن الأرضية النادرة الخفيفة، اللانثانم، السيريوم، الپراسيوديميوم، والنيوديميوم، حوالي 90 بالمائة من تركيبة الترسبات الأرضية النادرة النموذجية…. لذلك عرفنا في البداية أنه إذا أردنا صنع مغناطيس قابل للتطبيق اقتصادياً، فقد أدركت أنا والدكتور ساگاوا أنه يتعين علينا صنع المغناطيس الدائم من أحد هذه العناصر الأرضية النادرة الأربعة: اللانثانم، السيريوم، النيوديميوم، أو الپراسيوديميوم. مشكلة اللانثانم والسيريوم، كما تعلم، تتشكل اللانثانيدات عن طريق ملء إلكترونات 4F في سلسلة 4F. ومع ذلك، فإن اللانثانم والسيريوم، وهما أكثر المعادن الأرضية النادرة وفرة، لم تحتوي على إلكترونات 4F. وعرفنا بحلول هذا الوقت، استناداً إلى العمل باستخدام مغناطيس السماريوم-الكوبالت، أن أحد الأشياء التي يجب أن تمتلكها هو هذه الإلكترونات 4F لتمنحك مقاومة المادة المغناطيسية للتغييرات في المغنطة على المادة.

• هل يمكنك أن تعطينا تعريفاً سريعاً لمقاومة المادة المغناطيسية للتغييرات في المغنطة؟

كروات:

مقاومة المادة المغناطيسية للتغييرات في المغنطة هو مقاومة إزالة المغناطيسية. في المغناطيس الدائم، كما تقول، تكون الفترات كلها متوازية. إذا وضعت حقلاً مغناطيسياً في الاتجاه المعاكس، فإن المقاومة القسرية ستقاوم المغناطيس الذي ينقلب في الاتجاه المعاكس. علمنا أننا نريد الحديد بدلاً من الكوبالت…. وقد شرع كلانا في صنع مغناطيس دائم من الحديد الأرضي النادر من النيوديميوم أو الپراسيوديميوم. كانت المشكلة أنه لا توجد مركبات بين الفلزات متاحة. على عكس مخطط طور الكوبالت الأرضي النادر - كان هناك الكثير من المركبات المعدنية المثيرة للاهتمام - لا تحتوي مخططات الحديد الأرضي النادر والحديد على مركبات معدنية مناسبة قابلة للاستخدام.

• بلغة واضحة، ما هي المرحلة بين المعادن، ولماذا هي مهمة؟

كروات:

المركب المعدني أو الطور بين الفلزات هو مرحلة ذات نسبة ثابتة من المكونات. مثل، تيربيوم-حديد اثنين يحتوي على تيربيوم واحد واثنين من الحديد. وهي مثبتة على شبكة بلورية في مواقع محددة جداً على الشبكة. هذا هو أحد المتطلبات الجوهرية لأي مغناطيس دائم معدني انتقالي أرضي نادر.

• هل يوفر الهيكل والاستقرار الذي تحتاجه قابلية إعادة الإنتاج؟

كروات:

كل ذلك. بعبارة أخرى، إنه الشيء الذي يبقي اللحظة المغناطيسية في مكانها في الهيكل. يجب أن يكون لديك هذا الهيكل البلوري.

• لذلك ما هو الحل؟

كروات:

حقيقة عدم وجود مركب بين الفلزات كانت مشكلة محيرة لبعض الوقت. ولكن بعد ذلك، في عام 1976، راجعت أنا واثنين من زملائي ورقة بحثية بقلم آرت كلارك. كان يعمل في مختبر الأسلحة السطحية البحرية. لقد أخذ عينة متناثرة من حديد التيربيوم 2 [TbFe2] وقام بتدويرها في درجات حرارة أعلى بشكل متزايد. وعند حوالي 350 درجة مئوية، ارتفعت المقاومة القسرية إلى حوالي 3.5 كيلوغرام. وقد توقعنا، وأعتقد بشكل صحيح في ذلك الوقت، أن ما حدث هو أنه خلال عملية التبلور، تشكلت مرحلة غير مستقرة. كان هذا مثيراً لأن هذه هي المرة الأولى التي يطور فيها أي شخص مقاومة قسرية في مادة حديدية أرضية نادرة. كان أيضاً مثيراً لأن TbFe2 مادة مكعبة. ولا ينبغي أن تتطور المادة المكعبة إلى المقاومة القسرية. يجب أن يكون لديك بنية بلورية ذات شبكة بلورية أحادية المحور، مثل سداسية الشكل أو معينية السطوح أو رباعي الزوايا. ماساتو ساگاوا وهكذا بدأت بهذه الأطروحة: لإنشاء أطوار ثابتة مغناطيسية صلبة تكون عملية للمغناطيس الدائم. وباستخدام التصلب السريع، بدأت في صنع مواد ذائبة وبلورتها. وعملت بشكل جيد جدا لقد طورت على الفور مستويات عالية من المقاومة القسرية. كانت مشكلة هذه المواد أنها كانت جميعها غير مستقرة. بدأت في تسخينها عند حوالي 450 درجة مئوية، وستتحلل إلى هيكل التوازن الخاص بها، وستزول المقاومة القسرية. لذلك بدأت في إضافة مواد لمعرفة ما إذا كان بإمكاني جعلها أكثر استقراراً. وأحد الأشياء التي أضفتها كان البورون. وفي أحد الأيام وجدت أنه عندما قمت بتسخين عيّنتي المحتوية على البورون، لم تتحلل إلى هيكلها المتوازن. وهكذا عرفت أنني اكتشفت طوراً ثلاثياً من النيوديميوم والحديد والبورون، طوراً بين المعادن مهماً جداً من الناحية الفنية. واتضح أن ماساتو اكتشف نفس الشيء [وهو يضحك].

• ساگاوا، لقد ذكرت أنك مهتم بعملية التلبيد، والتي كانت مشابهة للعملية التي كانت تُستخدم في ذلك الوقت لتصنيع مغناطيس السماريوم والكوبالت .... عندما كنت تعمل على طريقة لصنع مغناطيس نيوديميوم-حديد-بورون باستخدام التلبيد، هل واجهت تحديات معينة كانت صعبة، واستغرق حلها الكثير من الجهد؟

ساگاوا:

لم أتمكن من إعطاء المقاومة القسرية لسبائك النيوديميوم والحديد والبورون. وجربت العديد من العمليات. لكن تكلفة التلبيد جيدة لأنه لمنح السبيكة المقاومة القسرية، يجب أن تصنع بنية خلوية في السبيكة. لذلك لإنتاج بنية خلوية، التلبيد طريقة جيدة جداً لأنك أولاً تصنع بلورة أو مسحوقاً واحداً وتقوم بمحاذاة المسحوق ثم التلبيد. وأثناء عملية التلبيد، تقوم بتشكيل بنية خلوية تلقائياً. لذلك حاولت تكوين بنية خلوية. لقد اختبرت العديد من أنواع العناصر بدءاً من النحاس. يستخدم النحاس في حالة مغناطيس السماريوم والكوبالت. وبدءاً من النحاس، اختبرت العديد والعديد من العناصر المضافة في جميع أنحاء الجدول الدوري تقريباً. لكنني لم أتمكن من إعطاء المقاومة القسرية من خلال صنع عناصر إضافية. وأخيراً، وجدت عنصراً مضافاً جيداً. إنه ليس عنصراً آخر - إنه نيوديميوم بحد ذاته. يعطي النيوديميوم الإضافي موطناً للبنية الخلوية التي تشكل منطقة حدود حبيبية حول جسيمات النيوديميوم والحديد والبورون. لذلك نجحت في إجبار النيوديميوم والحديد والبورون عن طريق التكلس والتركيب الغني بالنيوديميوم. ونجحت في تطوير مغناطيس نيوديميوم-بورون متكلس بأقصى ارتفاع قياسي من BH [مقياس لأقصى طاقة مغناطيسية يمكن تخزينها في مغناطيس] في العالم. كان ذلك في عام 1982.

• حدث هذا العمل في الغالب في أواخر السبعينيات وأوائل الثمانينيات. تعمل كلاكما على نفس المشكلة تقريباً في جوانب مختلفة من العالم. سيد ساگاوا، متى علمت لأول مرة أن جنرال موتورز كانت تعمل أيضاً على نفس التحدي الذي كنت تعمل عليه؟

ساگاوا:

كان ذلك عندما قدمت أول عرض تقديمي في مؤتمر MMM، مؤتمر المغناطيسية والمواد المغناطيسية، الذي عقد في پتسبرگ في عام 1983.

ساگاوا:

نوفمبر 1983. في نفس المؤتمر، قدم جون كروات ومجموعته ورقة بحثية عن نفس مغناطيس سبيكة النيوديميوم والبورون.

• لذلك لسنوات، كنتما تعملان على حل هذه المشكلة، وتواجهان نفس المشكلة. وكلاكما تعرف على الجهود الأخرى في نفس المؤتمر في پتسبرگ عام 1983؟

كروات: نعم.

• هذا مذهل. هل تحدثتم مع بعضكم البعض في ذلك المؤتمر؟ هل اجتمعتما وقلت أي شيء لبعضكما البعض؟

كروات:

أعتقد أننا قدمنا ​​أنفسنا لبعضنا البعض، لكني لا أتذكر أكثر من ذلك بكثير.

• ماذا تتذكر، سيد ساگاوا؟ هل تتذكر أي محادثة مع جون في ذلك الاجتماع؟

ساگاوا:

أتذكر أنني رأيت جون، لكني لا أتذكر ما إذا كنا نتحدث معاً أم لا.

كروات: أعتقد أنه كان من المنطقي أن نفعل ذلك، لكن لا يمكنني تذكر ذلك. ربما اعتبرنا أنفسنا منافسين [وهو يضحك].

• لقد توصل كلاكما إلى وسائل تصنيع مستقلة. ابتكرت جنرال موتورز تقنية تسمى الغزل المصهور، واستخدمت سوميتومو عملية التلبيد. وكان لديهم خصائص مختلفة. يبدو أن المغناطيسات الملبدة تتمتع بقوة هيكلية أو مرونة أكبر. يمكن إنتاج مغناطيسات معدلة بتكلفة أقل. كلاهما وجد تطبيقات كبيرة في السوق، مختلفة إلى حد ما ولكنها لا تزال كبيرة. جون، لماذا لا تشرح فقط كيف أصبحت مجالات السوق وما زالت قائمة حتى يومنا هذا؟

كروات:

نعم. المواد المتصلبة بسرعة هي تجانس خواص. وأثناء عملية التصلب السريع، تقوم بتكوين مسحوق مغناطيسي. يتم خلط هذا المسحوق مع الإيبوكسي وتحويله إلى مغناطيس. لكن اتضح أن هذه المغناطيسات كانت مثالية لصنع مغناطيس دائري صغير يدخل في المحركات الدقيقة مثل محركات الغزل لمحركات الأقراص الصلبة أو الأقراص المضغوطة أو للمحركات الخطوية للروبوتات. والأشياء من هذا القبيل، محركات مؤازرة للروبوتات، ولكن أيضاً محركات المغزل والخطوة للتطبيقات المختلفة. وكان هذا هو السوق الأساسي لهذه المغناطيسات الملتصقة لأن صنع مغناطيس حلقي رقيق الجدار بواسطة عملية التلبيد أمر صعب للغاية. تميل إلى التصدع والتفكك. ولكن على النقيض من ذلك، فإن سوق المغناطيس الملبد، وهو في الواقع أكبر بكثير من سوق المغناطيس المتماسك، تم استخدامه بشكل أساسي للمحركات الأكبر، ومولدات توربينات الرياح، وأجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي. معظم محركات السيارات الكهربائية عبارة عن مغناطيسات ملبدة. مرة أخرى، معظم السوق هو محركات. لكن السوق أكبر بالنسبة لسوق المغناطيس المتكلس مقارنة بسوق المغناطيس المتكلس. ولكن هناك سوقان مختلفان بشكل واضح بشكل عام.

ساگاوا:

أعتقد أن أحد أهم تطبيقات مغناطيس النيوديميوم والحديد والبورون هو محرك الأقراص الصلبة. إذا لم يتم العثور على البورون النيوديميوم، فسيكون من الصعب تصغير محرك القرص الصلب. قبل ظهور مغناطيس النيوديميوم والبورون، كان محرك القرص الصلب كبيراً جداً. كان من الصعب أن يرفع شخص واحد 10 كيلو أو 20 كيلوجراماً أو نحو ذلك. الآن يصبح صغيراً جداً. وهذا بسبب اختراع مغناطيس نيوديميوم-بورون موثقوالذي يستخدم في محرك المشغل. وأيضاً، يتم استخدام نيوديميوم المغناطيس المترابط في محرك المغزل لتدوير القرص الصلب. كان هذا اختراعاً مهماً جداً لبداية مجتمع تكنولوجيا المعلومات لدينا.

• كان لديك اتصال ضئيل أو معدوم حتى الاجتماع في بتسبرگ في عام 1983، وفي ذلك الوقت كنت قد أنشأت بالفعل جميع حقوق الملكية الفكرية الخاصة بك. ومع ذلك، كانت هناك قضية طويلة الأمد - حسناً، ليست طويلة الأمد، ولكن قضية براءة اختراع بين جنرال موتورز وسوميتومو. جون، هل يمكنك البدء وإخبارنا قليلاً عما حدث هناك؟

كروات:

نعم. أعتقد أننا لم نذكر ذلك، لكن سوميتومو وجنرال موتورز قدمتا براءات اختراع بعد فترة وجيزة من اختراع هذه المادة، والتي تبين أنها كانت في أوائل عام 1982، على ما يبدو في غضون أسابيع من بعضهما البعض. لكن اتضح، بسبب قانون براءات الاختراع، الطريقة التي يتم بها كتابة قانون براءات الاختراع، انتهى الأمر بشركة جنرال موتورز ببراءات الاختراع في أمريكا الشمالية، وانتهى الأمر بشركة سوميتومو مع براءات الاختراع لتكوين النيوديميوم والحديد والبورون في اليابان وأوروبا. كان لدى جنرال موتورز تركيبة النيوديميوم والحديد والبورون في أمريكا الشمالية. هذا يعني أنه لا يمكن لأي من الشركتين التسويق في جميع أنحاء العالم، وكان عليهم التسويق في جميع أنحاء العالم ليكونوا مجديين اقتصادياً. لذلك كانتا بالفعل على نزاع، بالطبع. لا أعرف ما إذا كانوا قد رفعوا دعوى قضائية ضد بعضهم البعض. لكن على أي حال، كان لديهم مفاوضات. وأتذكر أنني كنت جزءاً من هذه المفاوضات حيث انتهى بنا المطاف باتفاقية حيث قمنا بترخيص بعضنا البعض، مما سمح لكلا الشركتين بتسويق المواد في جميع أنحاء العالم - تصنيع المواد وتسويقها في جميع أنحاء العالم. لكن يمكنك فقط تصنيع وتسويق نوع المواد الخاصة بك، والتي، في حالتك، كانت سريعة الذوبان ودوارة مغزولة

كروات:

التصلب والغزل المذاب. وكان لدى سوميتومو التلبيد وفي جميع أنحاء العالم، أمريكا الشمالية، آسيا، أوروبا، في كل مكان. واتضح أنها تستند إلى حجم جسيم المادة. كان لشركة سوميتومو الحق في تصنيع مغناطيس بحجم جسيم أكبر من ميكرون واحد، وشركة جنرال موتورز أقل من ميكرون واحد.

ساگاوا: أوه، أتذكر!

كروات: نعم. [كلاهما يضحكان]

ماساتو ساگاوا من سوميتومو [يسار] وهو يعلن عن اختراع مغناطيس دائم ثوري من النيوديميوم والحديد والبورون في مؤتمر عُقد في پتسبرگ في نوفمبر 1983. وفي نفس الاجتماع، أعلن جون كروات من جنرال موتورز اختراع مغناطيس باستخدام عناصر نفس المغناطيس.

• في الوقت الحالي، بالطبع، هناك الكثير من الجدل حول حقيقة أن كمية هائلة من السوق العالمية للعناصر الأرضية النادرة تخضع لسيطرة الصين، والتعدين، والإنتاج، وما إلى ذلك. تتطلع العديد من البلدان، لا سيما في أوروبا وأمريكا الشمالية، إلى توسيع قاعدة مورديها للعناصر الأرضية النادرة. ولكن في الوقت نفسه، هناك هذا السوق الحالي لهذه المغناطيسات. فهل هذا له تأثير من أي نوع على الاتجاهات المستقبلية للبحث والتطوير في المغناطيس الدائم؟

كروات:

لم أعد قريبًا بدرجة كافية من البحث والتطوير لمعرفة ما يجري ، لكنني أعتقد أنه لم يكن هناك تغيير. لا يزال الناس مهتمين بصنع مغناطيس دائم يحتوي بشكل أساسي على أرض نادرة. لا أفهم كيف سيتمكنون من إخراج الأرض النادرة من مغناطيس معدني انتقالي للأرض النادرة وصنعوا مغناطيسًا جيدًا عالي الأداء. لذا فإن مشكلة إمداد الأرض النادرة ستستمر وربما ستنمو في المستقبل مع نمو سوق هذه المغناطيسات. وأعتقد أن الطريقة الوحيدة التي يمكنهم من خلالها التغلب على ذلك هو أن اليابان وكوريا وأوروبا الغربية وأمريكا الشمالية سيكون عليهم الحصول على نوع من المساعدة الحكومية لإنشاء سوق للأرض النادرة خارج [الصين]. هناك الكثير من البلدان التي لديها أرضيات نادرة. الهند ، على سبيل المثال ، لديها تربة نادرة. أستراليا وكندا لديهما أرضيات نادرة. الولايات المتحدة ، بالطبع ، لديها العديد من الودائع الكبيرة. لكن ما حدث هو ، بالطبع ، أن الصينيين خفضوا السعر إلى النقطة السابقة في التسعينيات وأبعدوا الجميع عن العمل. لذلك بطريقة ما ، يجب تقديم بعض الإرادة السياسية لتغيير ديناميكيات سوق العناصر الأرضية النادرة اليوم. أعتقد أنه من المستحيل إنتاج مغناطيس عالي الجودة بدون عناصر أرضية نادرة. هناك أبحاث نشطة للغاية على مركب الحديد والنيكل. كانت واعدة. لديها مغنطة عالية التشبع ومجال تباين عالي للغاية. لكنني أعتقد، في بحث حديث في اليابان، استنتج [أنه] من المستحيل إنتاج مغناطيس دائم عالي الأداء من مركب الحديد والنيكل هذا. وهذا آخر موضوع بحثي عن المركب الخالي من العناصر الأرضية النادرة والتي تتكون من عناصر إلكترونية ثلاثية الأبعاد فقط، حديد، كوبالت، نيكل.

 انظر أيضاً

• مغناطيس النيوديميوم
• محرك مغناطيسي دائم