05 - 12 - 2019

Superaantrekkelijk element

Neodymium, element nr. 60, zit vol magnetische kracht

Vanwege 150 jaar periodiek systeem besteedt Chemie Magazine dit jaar aandacht aan een aantal bijzondere elementen. Deze keer element nr. 60, neodymium, dat onder andere in je draadloze schroefboor en in de oortjes van je mobiel zit. Het meeste van de 33 miljoen kilo neodymium die per jaar wordt geproduceerd, zit in magneten. Die zijn krachtig maar licht. Handig voor boven in een windmolen, maar ook voor een eerste low budget MRI.

Tekst: Marga van Zundert


De generator van de grootste windmolen ter wereld, die sinds kort draait op de Maasvlakte, wordt verscheept vanuit Frankrijk.
Foto: General Electric

Supermagneten worden ze door leveranciers genoemd: magneten van neodymium. Terecht, want sterkere permanente magneten bestaan niet. Wie een nog krachtigere magneet wil, moet een elektromagneet gebruiken, maar dat kost stroom. Neodymiummagneten vind je overal waar compactheid, gewicht en mobiliteit belangrijk zijn. Ze zitten bijvoorbeeld in motoren van snoerloos gereedschap, in de luidsprekertjes van ‘oortjes’ en in de lezers van harde schijven. Je komt ze ook tegen als magnetische deursluiting, als koelkastmagneet en als speelgoed (magnetische knikkers), en – in kilohoeveelheden – in de motoren van elektrische auto’s en in generatoren hoog boven in windmolens.

Ook ’s werelds grootste windmolen, de Haliade X, bevat neodymium. “Een paar duizend kilo”, aldus Maarten de Bekker van Bakker Magnetics in het Brabantse Son, dat de magneten ervoor leverde. De Haliade X, waarvan het eerste exemplaar sinds kort op de Maasvlakte bij Rotterdam draait, is een windmolen van General Electric met een recordvermogen van 12 watt, goed voor zo’n 16.000 huishoudens. De molen is met zijn 260 meter bijna zo hoog als de Eiffeltoren en heeft wieken van meer dan 100 meter lang. Een stelregel bij windmolens met permanente magneten is dat er per megawatt 1000 kilo aan magneetmateriaal in zit, vertelt De Bekker. Daarvan is circa 30 procent neodymium, de rest vooral ijzer en boor. Additieven zoals kobalt, dysprosium, terbium en holmium zorgen voor een betere weerstand tegen corrosie en demagnetisatie bij hoge temperaturen. “En met het neodymium komt altijd wat praseodymium mee, anders wordt de prijs heel hoog.”

De magneten zijn in China geproduceerd, in Son gemonteerd in modules, die vervolgens in Frankrijk in de generator werden ingebouwd. De Bekker, bij Bakker Magnetics verantwoordelijk voor magneettechnologie en assemblage: “De sterke aantrekking of afstoting maakt montage echt tot een gespecialiseerde klus.” Er zijn twee van de enorme 12-megawatt-generatoren gebouwd. Een daarvan zit nu in de windmolen op de Maasvlakte. Nummer twee is naar een testcentrum in Schotland gegaan als studieobject voor deze nieuwe generatie megamolens.

 

Niet zeldzaam

Het Amerikaanse General Motors en het Japanse Sumitomo Special Metals ontdekten de magnetische kracht van neodymium onafhankelijk van elkaar begin jaren tachtig. Ze waren allebei op zoek naar nog sterkere magneten dan eerder met samarium – een ‘chemische zusje’ van neodymium – waren gemaakt.

Het element neodymium is een van de lanthaniden, de rij elementen van nr. 57 (lanthaan) tot en met nr. 71 (lutetium) die er onderaan in het periodiek systeem een beetje vreemd bijhangen. De elementen zijn beter bekend als de ‘zeldzame aarden’. Maar dat is een naam die de internationale chemievereniging IUPAC liever niet meer hoort. Lanthaniden zijn namelijk helemaal niet zo zeldzaam. Neodymium komt bijvoorbeeld evenveel op aarde voor als goud. De titel ‘zeldzaam’ komt vooral doordat de lanthaniden lange tijd nauwelijks werden gebruikt, omdat ze erg lastig te isoleren zijn. En dat komt door hun atomaire structuur. De atomen zien er – van buitenaf – bijna identiek uit (zie kader). En omdat de buitenste elektronenschil vooral de interactie met andere stoffen bepaalt, zijn lanthaniden heel lastig van elkaar te scheiden.

De lanthaniden worden nu ook wel aangeduid als ‘de vitaminen’ van de chemie, omdat kleine hoeveelheden een groot effect hebben. Zo laat een snufje europium echte eurobiljetten oplichten onder uv, voegt een vleugje samarium in de elementen van elektrische gitaren ‘warmte’ toe aan het geluid en is een pietsie ytterbium of gadolinium onmisbaar in zonnecellen, leds en lasers.

Wat samarium in de elementen van een elektrische gitaar voegt ‘warmte’ toe aan het geluid.

Foto: Haley Powers / Unsplash

 

Windmolens

Maar terug naar neodymium. De grootste hoeveelheden van deze lanthanide kom je tegen in windmolens. “Ongeveer een kwart van de windmolens die nu worden gebouwd bevat neodymium”, luidt een ruwe schatting van Henk Polinder, universitair hoofddocent in Delft, gespecialiseerd in elektrische aandrijvingen. “Het gebruik van permanente magneten lijkt te stijgen, maar windmolens kunnen ook zonder. De Duitse windmolenbouwer Enercon koos bijvoorbeeld lange tijd uitsluitend voor elektromagneten, om niet afhankelijk te zijn van China.” Bevat een windmolengenerator neodymium, dan gaat het al snel om een paar 100 kilo. De magneten zijn in een ring om het uiteinde van de wieken-as gemonteerd, die ronddraait in een spoel van koperdraad. De draaiende magneten wekken zo stroom op; hetzelfde principe als in een aloude fietsdynamo.

Neodymiummagneten bestaan overigens niet uit zuiver neodymium, maar uit een legering van neodymium, ijzer en boor (Nd2Fe14B), die voor optimale magnetische sterkte zorgt (zie kader). De magneten zijn sterk maar bros, ze krijgen daarom een beschermend jasje van kunststof of een elastischer metaal zoals nikkel dat schokken opvangt.

 

Neodymiummagneten zitten ¬– in kilohoeveelheden – in de motoren van elektrische auto’s.

Foto: Mike / Pexels


Made in China

Neodymium wordt gewonnen uit monazietzand, een mengsel van fosfaatzouten ((Ce,La,Th,Nd,Y)PO4) dat zo’n 15 procent neodymium bevat. De winning is complex, omdat lanthaniden zo lastig van elkaar te scheiden zijn. Dat gebeurt met combinaties van extractiemethoden, ion-uitwisseling en elektrolyse. De jaarlijkse wereldwijde productie ligt momenteel rond de 33 miljoen kilo. De prijs schommelt rond de 100 euro per kilo (voor neodymiumoxide).

Brazilië, Vietnam, Rusland, India, Australië en de VS bezitten grote voorraden lanthaniden in hun bodem, maar China heeft sinds de jaren 90 praktisch een monopolie. Het land heeft de markt veroverd met onwaarschijnlijk lage prijzen. China gebruikte zijn monopolie meermaals voor geopolitieke doeleinden. Japan kreeg bijvoorbeeld met een boycot te maken na een conflict over eilanden in de Zuid-Chinese Zee. De EU schat het risico op acute toeleveringsproblemen in als “zeer hoog”. Wat door anderen wordt gerelativeerd vanwege de strategische voorraden die bedrijven inmiddels hebben aangelegd en de grote wereldwijde reserve.

Het Chinese neodymium komt uit Binnen-Mongolië, uit een mijngebied genaamd Bayan Obo. De streek is helaas berucht vanwege milieuvervuiling. Voor de productie van een kilo lanthanide is zeker het dubbele aan chemicaliën voor isolatie en zuivering nodig. En het proces levert toxische afvalstoffen op. In Bayan Obo worden die gedumpt in een kilometers groot ‘gifmeer’. Duurzamere productie vindt plaats in Australië, Nieuw-Zeeland en ook in Estland, en recyclingtechnieken zijn in ontwikkeling. De EU financiert een aantal onderzoeksprogramma’s, wat deze zomer bijvoorbeeld resulteerde in de opstart van een pilot-recyclingunit in Noorwegen voor terugwinning van neodymium uit afgedankte neodymiummagneten en oplaadbare nikkel-metaalhydridebatterijen. Noodzakelijk omdat de vraag naar neodymium de komende jaren met maar liefst 25 procent per jaar zal stijgen door de groei van elektrisch vervoer. Dat voorspelt althans de Global Rare Earth Industry Association (REIA), een nieuwe vereniging van niet-Chinese bedrijven en wetenschappers die streeft naar een transparantere markt en duurzamere productie van de zeldzame aarden.

Neodymiummagneten zitten in motoren van snoerloos gereedschap en in luidsprekertjes van ‘oortjes’


Low budget MRI voor arme landen
De Leidse hoogleraar MRI-fysica Andrew Webb ontwikkelt samen met de TU Delft een low budget MRI voor arme landen op basis van neodymiummagneten. Webbs eerste low budget prototype is net klaar en bedoeld voor het scannen van kinderen met hydrocephalus (waterhoofd). Leidse ingenieurs gebruikten bijna drieduizend neodymiummagneten. “2948 om precies te zijn”, vertelt Webb. “Samen wegen ze 39 kilo.” De magneten zitten op 23 ringen, gemonteerd, allemaal op exact de juiste plek in exact de juiste oriëntatie met “een sub-millimeter precisie”. Een hele klus. Maar juist door zoveel kleine magneten te gebruiken middelen minieme verschillen uit, en ontstaat een egaal magnetisch veld binnen in de koker ter grootte van een droogtrommel. Webb: “Er is echt fysieke kracht nodig om de ringen op hun plek te houden als je ze vastzet.”

Binnen in de ‘trommel’ heerst een veldsterkte van 0,05 Tesla. Dat is zo’n dertig tot zestig keer minder dan in een MRI-scanner in een Nederlands ziekenhuis. Dat er toch een bruikbaar beeld uit rolt, komt door grote vooruitgang in ruisonderdrukkings- en beeldverwerkingstechnieken, weet Webb. Een gewone laptop doet al het rekenwerk met opensourcesoftware. Wereldwijd kunnen mensen zo nog bijdragen aan een betere resolutie. Webb: “Deze MRI kost duizenden euro’s in plaats van miljoenen.” Het ontbreken van een supergeleidende magneet bespaart geld. “Maar dat er geen koeling nodig is met vloeibaar helium en dat je het apparaat op een pick-uptruck kunt rondrijden, is minstens zo belangrijk.”

De low budget scanner moet vochtophoping in babyhersens met minder dan een halve centimeter precisie kunnen aantonen, genoeg om op de juiste plaats een drain aan te leggen en te controleren of deze goed werkt. Bewezen is dat nog niet, maar het prototype heeft op het lab met succes handen en knieën gescand. Webb: “De kwaliteit is zoals we hoopten.” De bedoeling is dat het prototype binnenkort naar een Afrikaans ziekenhuis gaat om daar waterhoofden en andere hersenaandoeningen op te sporen.

Webbs eerste low budget prototype (niet op de foto) is bedoeld voor het scannen van kinderen met waterhoofd.


Lanthaniden dragen (bijna) hetzelfde jasje
De lanthaniden ogen aan de buitenzijde bijna identiek. Ze hebben alle een compleet gevulde 5s-, 5p- en 6s-elektronenschil. Startend bij lanthaan wordt  bij oplopend elementnummer de meer naar binnen gelegen 4f-schil opgevuld (soms ook 5d-schil). Lanthaan heeft één elektron in deze schil, cerium twee, praseodymium drie, neodymium vier, et cetera tot en met lutetium (veertien elektronen). De elektronenstructuur verklaart waarom de lanthaniden zo lastig van elkaar te scheiden zijn.

De vier ongepaarde elektronen van neodymium in de 4f-schil zorgen voor een groot magnetisch moment. Ze zitten echter in een binnenschil, waardoor interactie tussen atomen zwak is en magnetisatie lastig. Niet zuiver neodymium, maar de legering Nd2Fe14B is daarom de sterkste permanente magneet. IJzer heeft ongepaarde elektronen in de buitenste schil en zorgt ervoor dat de magnetische kracht van neodymium optimaal kan worden benut. Een andere bekende lanthanide-magneet is samarium-kobalt, deze legering is magnetisch minder krachtig maar beter bestand tegen hoge temperaturen en corrosie, waardoor deze magneten vaak de voorkeur krijgen in de lucht- en ruimtevaartindustrie.

 

Samarium-kobalt-magneten worden gebruikt in de lucht- en ruimtevaartindustrie.

Foto: NASA


Neodymium via omweg ontdekt
De ontdekking van het element neodymium had wat voeten in de aarde. Niet verwonderlijk, omdat de groep elementen waartoe het behoort, de lanthaniden, sterk op elkaar lijken. In 1839 isoleerde de Zweedse chemicus Carl Gustaf Mosander uit ceriumerts een nieuw element dat hij lanthaan noemde, naar het Griekse woord voor verborgen: lanthanein. Twee jaar later rapporteerde Mosander opnieuw een op lanthaan lijkend nieuw element, dat hij ditmaal didymium noemde, didymos betekent tweeling in het Grieks (of de goddelijke tweeling: Apollo en Artemis). Didymium stond zo’n 30 jaar als element in de boeken, maar in 1879 bewees de Franse chemicus Lecoq de Boisbaudran dat het deels bestond uit het lanthanide samarium. En 6 jaar later ontdekte de Oostenrijkse chemicus Carl Auer von Welsbach dat het resterende materiaal nog twee onbekende lanthaniden bevatte: neodymium en praseodymium (neo staat voor nieuw, praseos betekent groen). Von Welsbach was overigens een flinke doorzetter. Hij voerde meer dan honderd kristallisaties uit voordat hij neodymium en praseodymium uit elkaar had gepeuterd in het roze neodymiumoxide en groene praseodymiumoxide kristallen. Zuiver, metallisch neodymium werd pas 40 jaar later, in 1925, voor het eerst bereid door een Duitse chemicus genaamd Kremers.
 


Magneetvissen
Al jaren gaan mensen het bos in en de hei op om met een metaaldetector oude munten, munitie, zwaarden en andere metaalschatten op te graven. Een nieuwere variant is magneetvissen: met een sterke magneet aan je hengel in het kanaal of de rivier op zoek naar metaal. Vismagneten zijn meestal neodymiummagneten, omdat die het meest compact zijn. Magneetvissers stuiten in Nederland vooral op fietswrakken en blikjes, maar zijn natuurlijk uit op gedumpte kluizen, sieraden, messen en muntgeld. De explosievenopruimingsdienst is overigens geen fan van de nieuwe hobby: ook oude munitie en revolvers kunnen aan de hengel blijven hangen, met alle risico’s van dien.

 


Lees meer over dit onderwerp via de tag(s):
Periodiek Systeem

Onderdeel van dossier(s):