Valtaosa miljoonista materiaaleista, joita ihminen on kehittänyt, toimii kapeissa erityiskohteissa.
Toiset, kuten neomagneetit, tuovat puhtia lukuisiin sovelluksiin, säästävät energiaa ja synnyttävät uudistusten ketjuja.



 


Toiset, kuten neomagneetit, tuovat puhtia lukuisiin sovelluksiin, säästävät energiaa ja synnyttävät uudistusten ketjuja.


Julkaistu Tiede -lehdessä 2/2010


Maailmaa pelastetaan monella tavalla. Japanilaisen magneettitutkijan, tohtori Masato Sagawan mukaan yksi parhaista pelastajista on sintrattu NdFeB-magneetti. NdFeB-magneetti on neomagneetti, moderni kestomagneetti, joka on valmistettu neodyymin, raudan ja boorin seoksesta.

- Uusia kestomagneetteja on lähes kaikkialla, missä käytetään uusiutuvaa energiaa tai säästetään energiaa, kertoo porilaisen Prizztech Oy:n Magneettiteknologiakeskuksen johtaja, tekniikan tohtori Martti Paju.


Käy moneen moottoriin

Uudet magneetit toimivat tuulivoimaloissa, tietokoneissa, sähkömoottoreissa, kodinkoneissa ja lasten leluissa. - Tietokoneiden kovalevyt eivät olisi olleet mahdollisia ilman uusia magneetteja, Paju muistuttaa.

Sähkömoottoreissa kestomagneettien pienuus ja magnetointiin menevän sähkön säästyminen parantavat hyötysuhdetta.

- Perinnäisen sähkömoottorin hyötysuhde on yli 90 prosenttia, mutta siirtyminen kestomagneettiin tuo vielä noin kolmen prosenttiyksikön parannuksen päälle, Paju tietää. Parinkin prosentin parannuksesta koituu suuret säästöt maailmassa, jossa sähkömoottoreita pyörii kaikkialla.


Tehon tuo neodyymi

Uutta neomagneeteissa on suuri "energisyys", jota insinöörit kuvaavat energiatulolla. NdFeB-magneetin energiatulo on yli neljäsataa kilojoulea kuutiometriä kohti, kun 1940-luvulla keksityt AlNiCo-magneetit jäivät paljon alle sadan kilojoulen. Suuri energiatulo pienentää magneetin kokoa ja keventää painoa.

Neodyymi kuuluu lantanoidien alkuaineryhmään, jolla on magneettiselta kannalta sopivasti miehitetyt elektronikehät. Sen vuoksi neodyymi ja eräät muutkin lantanoidit, kuten samarium, pystyvät muodostamaan raudan kanssa voimakkaasti magneettisia seoksia.

Uusmagneetit kehitettiin 1980-luvulla, ja työn teki likipitäen yhtä aikaa kaksi eri fyysikkoryhmää. Ensimmäistä johti Masato Sagawa Sumimotosta, toista hänen kollegansa Tyynenmeren toiselta puolelta, John Croat General Motorsista.


Edistää uusiutuvia

Sähkökone, jossa on neomagneetti, toimii hyvin kaikilla kierrosnopeuksilla. Perinnäiset sähkömagneettikoneet taas vaativat tietyn kierrosnopeuden, jolloin esimerkiksi tuulivoimalassa on pantava mekaaninen ylennysvaihde hitaasti pyörivän tuuliturbiinin ja nopean generaattorin väliin.

Paino vähenee, kun vaihde voidaan jättää pois, mutta samalla saadaan myös etu, joka painaa etenkin tuulivoimaloissa: luotettavuus paranee. Vaihde nimittäin kuluu ja rikkoutuu helposti, ja merellä korjaaminen on hankalaa, huonolla kelillä jopa mahdotonta.

Kestomagneetit alentavat tuulisähkön hintaa. Tietenkin etuja saadaan myös tuulettomissa paikoissa. Kun vaihde vaikkapa sähkömoottorin ja paperikoneen telan väliltä jää pois, säästyy kustannuksia. Teollisuudessa on lukemattomia voimansiirtomekanismeja, joita voidaan yksinkertaistaa.

Uudet magneetit jouduttavat hybridi- ja sähkökulkuneuvojen yleistymistä. Myös kulkuneuvoissa on paljon hyötyä kestomagneettimoottorin hyvästä väännöstä pienilläkin kierroksilla. Sähköajoneuvot taas tuovat mukanaan saasteettoman ja meluttoman ympäristön.


Uudistaa muistia

Fyysikot löytävät materiaaleista yhä uusia ominaisuuksia, jotka tuovat tulevaisuudessa vielä villimpiä magneetteja. Nyt puhutaan nanoteknisistä NdFeB-magneeteista. Magneettisuutta vahvistetaan mikrorakennetta muuttamalla, ja samalla yritetään korvata osa kalliista neodyymistä raudalla.

Jossakin kaukana tulevaisuudessa häämöttää monopolimagnetismi. Viime vuonna kaksi kansainvälistä tutkijaryhmää ilmoitti havainneensa ensimmäisen kerran yksinapaisia magneettisia rakenteita, monopoleja. Tutkijat arvelevat, että ilmiötä voitaisiin tulevaisuudessa hyödyntää esimerkiksi tietokoneiden muisteissa (ks. Tiede 1/2010, s. 44-49; tiede.fi/arkisto).

Tietokoneen kehityksessä magneetit ovat aina olleet tavalla tai toisella mukana ja ovat vastakin.
Muistit olivat 1950- ja 1960-luvulla magneettisia. Sitten tulivat puolijohdemuistit. Joukko tutkijoita ja yrityksiä uskoo, että kohta muisteissa palataan jälleen magneetteihin; kehitteillä on magnetoresistiivisiä muisteja, jotka tallentavat dataa magneettikenttiin sähkövarausten sijasta. Näin se säilyy paremmin, ja myös energiankulutus pienenee.


Kalevi Rantanen on diplomi-insinööri, tietokirjoittaja ja Tiede-lehden vakituinen avustaja.

Neomagneetti käy näihin





kännykät
tietokoneet
kuulokkeet
kaiuttimet
dvd-soittimet
uistinkelat
kuntopyörät
autojen turvatyynyt
sähkömoottorit yleisesti
hissien sähkömoottorit
hybridiautojen sähkömoottorit
laivojen ja öljynporauslauttojen potkurilaitteet
paperikoneiden moottorit
tuulivoimaloiden generaattorit

Magneetti tekee yhtä ja toista





- Muuttaa mekaanista energiaa sähköksi generaattorissa, jossa magneettikentässä liikkuvaan johteeseen syntyy sähkövirta.

- Muuttaa sähköä mekaaniseksi energiaksi moottorissa, jossa magneettikenttä liikuttaa ferromagneettista kappaletta.

- Teollisuusprosesseissa kiinnittää, erottaa, sekoittaa, siirtää, kuljettaa, merkitsee.

- Tietokoneessa tallentaa dataa.


Magneetteja syntyy monin tavoin


Magneetti - aine tai kappale, jolla on magneettikenttä.


Ferromagneetti - aine, esimerkiksi rauta, joka muuttuu magneetiksi eli magnetoituu ulkoisessa magneettikentässä.


- Kestomagneetti - ferromagneettinen aine, esimerkiksi teräs, joka pysyy magneettisena ilman ulkoisen magneettikentän vaikutusta. Kestomagneetteja on tehty myös seostamalla rautaa alumiinilla, nikkelillä ja koboltilla (alnico).


- Neomagneetti - voimakas kestomagneetti, raaka-aineena neodyymin, raudan ja boorin seos.


- Sähkömagneetti - johdekäämi tai -kela, johon syntyy magneettikenttä, kun sähkövirta kulkee siinä.


- Suprajohdemagneetti - suprajohtavasta aineesta tehty sähkömagneetti.

Kohta kylmenee jääkaappi


Kompressorien sähkömoottoreihin tulee kestomagneetteja. Tulevaisuudessa koko jäähdytyskoneisto voi olla magneettinen, jolloin sähkönkulutus jäisi puoleen kompressorikaapista.

Uuden kaapin pohjana on vanha magnetokalorinen ilmiö. Se tarkoittaa tiettyjen materiaalien jäähtymistä tai kuumenemista magneettikentän vaikutuksesta.

Yhdysvalloissa Amesin laboratorio kehitti 1990-luvulla materiaaleja, jotka toimivat huoneenlämmössä ja reagoivat kestomagneettiin. Yksi tekninen toteutus on pyörä, jonka kehä on valmistettu gadoliniumpohjaisesta magnetokalorisesta seoksesta. Kehä kulkee ensin magneettikentän läpi ja kuumenee. Lämpö johdetaan ympäristöön vesijäähdytyksellä. Jättäessään magneettikentän materiaali jäähtyy entisestään ja jäähdyttää jääkaapissa kiertävää kylmäainetta.

Beijingin yliopiston magneettitutkijan, professori Xu Guangxianin laboratorio taas kehitti muutama vuosi sitten uuden magnetokalorisen materiaalin. Baotoussa, Sisä-Mongoliassa, toimii harvinaisten maametallien instituutti Brir. Sen edustaja arvioi Science-lehdessä syyskuussa, että magneettijääkaappi tulee markkinoille muutaman vuoden kuluttua.