Магнитният мотор: Историята на една енергийна загадка

Подобно на близнаците Кастор и Полукс от гръцката митология, които притежавали специални сили и били неразделни, неодимът и празеодимът – „близнаци“ сред елементите – дълго време са били трудни за разделяне и имат множество особени свойства.

Приложения:

• За изработване на магнити в генераторите на вятърни турбини, които произвеждат електроенергия с помощта на мощни магнити неодим‑желязо‑бор.
• Лазерът Nd:YAG е назован по състава си: неодим, итрий, алуминий и гранат (итриев алуминиев гранат). Това е най‑разпространеният тип лазер за търговски, медицински и военни цели. Използва се за рязане, заваряване, маркиране, пробиване, опъване и др. В армията се използва за далекомерни системи и обозначаване на цели.
• Хибридни електрически превозни средства (HEV) и електромобили (EV) използват свръхмощни неодимови магнити за задвижване.
• Магнитнорезонансната томография (ЯМР/МРТ) използва магнити неодим‑желязо‑бор за получаване на вътрешни изображения на тялото без излагане на йонизиращо лъчение.

Знаехте ли

• Свръхмощните постоянни магнити неодим‑желязо‑бор (Nd₂Fe₁₄B) са най‑силните в света.
• Когато мобилният телефон е в режим „вибрация“, миниатюрен неодимов магнит в механизма му предизвиква вибрациите при входящо обаждане.
• Миниатюрен неодимов магнит е толкова силен, че когато се закрепи към хладилник, не може лесно да бъде отлепен на ръка.
• Слушалки и високоговорители използват неодимови магнити за прецизно възпроизвеждане на звука в целия аудио спектър.
• Лазерите Nd:YAG се използват за премахване на татуировки.

Откриването на неодима

Неодимът и празеодимът са открити по едно и също време. В началото химици смятали, че става дума за един‑единствен елемент (поради силното им „сливане“ и невъзможността да бъдат разделени) и го нарекли дидим (didymium), със символ „Di“ в подготвяния тогава от Менделеев периодичен списък. Когато накрая, на 18 юни 1885 г., един химик съобщил пред Виенската академия на науките, че е успял да ги раздели, мнозина били скептични (Weeks and Leicester, 1968, p. 685). Откривателят Карл Ауер фон Велсбах е учил в Хайделберг под ръководството на немския химик Роберт Бунзен.

Ауер фон Велсбах отбелязва: „Само Бунзен, на когото първо показах откритието, веднага призна, че разделянето на дидима действително е постигнато. Това признание от страна на Бунзен, който, както е известно, публикува изключително красиви и всеобхватни изследвания върху дидима, показва колко безкористно този велик учен оценяваше експериментите на своите млади ученици“ (Feldhaus, 1928).

През 1885 г. Карл Ауер фон Велсбах използва разработения от него метод на фракционна рекристализация, за да раздели за пръв път сплавта didymium на двата й компонента. След 167 рекристализации той забелязва различните оцветявания на пламъка на горелката на Бунзен, предизвикани от двете получени соли, които нарича „praseodymium“ (зелено) и „neodidymium“ (розово); по‑късно последното име еволюира до „neodymium“. Името „неодидим“ произлиза от гръцките думи neos (νέος) – нов, и didymos (διδύμος) – близнак.

Определение

Неодимът е сребристобял, сравнително реакционноспособен метал, който бързо се окислява на въздух и придобива леко жълтеникав оттенък. Металът е мек и ковък. Кристалната му структура е хексагонална; плътност 7,004 g/cm³, температура на топене 1021˚C и температура на кипене 3027˚C. Неодимовият оксид (на англ. neodymia) е сесквиоксид (оксид, в чиято формула участва тривалентен елемент) с химична формула Nd₂O₃. Оксидът е бледобял прах с плътност 7,3 g/cm³, температура на топене 2233˚C и молекулна маса 336,48.

Неодим – метал
Източник: https://hastingstechmetals.com/rare-earths/neodymium/

Неодим – метал
Източник: https://chemcraft.su/katalog_tovarov/34

Получаване на метала

Синтезирането на метален неодим се извършва чрез калциотермично възстановяване на трифлуорида (NdF₃ – под формата на прозрачни виолетови кристали) в тигел от тантал (Ta). Неодимът има ниска температура на топене и висока температура на кипене, подобно на лантана (La), церия (Ce) и празеодима (Pr). За приготвяне на NdF₃ смес от безводна флуороводородна киселина и 60% аргон се пропуска над Nd₂O₃ при 700˚C за 16 часа в тръбна пещ от инконел с платинова облицовка. Така се получава неодимов флуорид с около 20 ppm (части на милион) кислород като примес. Във втората стъпка съдържанието на кислород се намалява под 20 ppm чрез нагряване на флуорида с 50˚C над температурата му на кипене в платинен тигел в графитова обшивка. След това NdF₃ се поставя в танталов тигел, редуцира се с 15% от теоретичното количество метален калций и се загрява в индукционна пещ под вакуум в инертна атмосфера от аргон (Ar) до температура над тази на топене на редуциращия агент или на получения продукт (Beautry and Gschneidner, Jr., 1978). Металният калций се свързва с F и образува CaF₂, а остатъчният продукт е високочист неодим.

NdF₃ – под формата на прозрачни виолетови кристали
Източник: https://chemcraft.su/katalog_tovarov/34

NdF₃ – под формата на прозрачни виолетови кристали
Източник: https://www.samaterials.com/neodymium-compound/1193-neodymium-iii-fluoride-ndf3.html

Произход

Големи ресурси на неодим се намират в минерали от групата на „редкоземните елементи“ (LREE – Light Rare Earth Elements). Въпреки че се води „редкоземен“, неодимът е дори по‑разпространен от златото и се среща в земната кора с концентрация около 28 части на милион. Основни източници на неодим са карбонатитите и бастнезитите – редкоземни минерали. Бастнезитовите залежи в Китай и САЩ представляват най‑голям дял от икономически значимите ресурси на редкоземни елементи в света. На второ място като ресурс е моназитът – руда, в която неодимът е основен компонент. Залежи на моназит има в Австрия, Бразилия, Китай, Индия, Малайзия, Южна Африка, Шри Ланка, Тайланд и САЩ под формата на алувиални или седиментни плацери, пластове, пегматитови магматични тела, карбонатити и други алкални находища. Неодим се добива и от лопарит, извличан от голям интрузивен магматичен масив в Русия.

Добив

Неодимът се извлича от различни руди и находища чрез разнообразни методи. Бастнезит се добива в САЩ като основен продукт от твърда порода – карбонатит. Карбонатитовото находище се разработва по открит способ (кариера). Рудата се пробива и трошИ на по‑едри парчета, натоварва се на камиони и се транспортира до обогатителна фабрика. Там рудата се трошИ, пресява и обогатява чрез флотация, получавайки се концентрат на бастнезит. В Китай бастнезит, заедно с малко количество моназит, също се извлича от карбонатити. Тук бастнезитовата руда се получава като страничен продукт от железна руда, добивана по открит способ. След трошене рудата се отделя от железната руда чрез флотация, за да се получат бастнезитов концентрат и богата бастнезит‑моназитна фракция.

Моназит се добива от плацери на тежки минерални пясъци (уд. тегло >2,9) в различни части на света като страничен продукт при извличане на цирконий, титан или калай. Тежките минерални пясъци се добиват повърхностно от несвързани пясъци. Много от тези находища се разработват с плаващи драги, които отделят тежките минерали от по‑леките компоненти. Разделянето се извършва в „мокра“ обогатителна фабрика с гравитационни и хидравлични процеси, сита, хидроциклони, спирални и конусни концентратори. Свързаните или частично свързани пясъци, които трудно се добиват с драги, се разработват по сух способ. Рудата се извлича с класически земекопни машини – булдозери, скрепери, камиони и водно‑струйно оборудване. Получената руда се трошИ и пресява, след което се подава към описаната мокра фабрика. Концентратът от тежки минерали се изпраща в „суха“ фабрика за окончателно разделяне. Там рудата се почиства, изсушава, пресява и минава през серия електростатични, електромагнитни, магнитни и гравитационни процеси. В Южна Африка и САЩ моназитовите жили се добиват подземно (Hedrick, 2010). Лопарит се извлича от подземни мини по камерно‑стълбов метод; рудата се пробива, трошИ и извозва. Обогатяването следва методите, използвани при бастнезита, и дава концентрат от лопарит.

Източник: https://adevarul.ro/stiri-locale/cluj-napoca/video-motorul-cu-magneti-inventia-care-ar-putea-1420625.html

Тези изобретатели и техните проекти отразяват широк спектър от подходи към провокативната идея да се произвежда енергия по начин, който би могъл да революционизира настоящото ни разбиране за физиката и енергийното производство. В последваща статия направихме синтез, в който събрахме 60 изобретатели и проекти за магнитен двигател, откъдето можете да почерпите вдъхновение и нови идеи. Въпреки очарованието и интереса, които будят тези изобретения, е важно към подобни твърдения да се подхожда критично и да се изискват солидни емпирични доказателства, преди да се приемат устройства, които претендират, че произвеждат енергия по начини, противоречащи на известните закони на физиката.

Глава 5: Ролята на неодимовите магнити в магнитните двигатели

Неодимовите магнити, известни още като NdFeB (неодим-желязо-бор), промениха радикално технологиите при магнитните двигатели. Благодарение на превъзходните си свойства тези магнити вдъхнаха нов живот в проектирането и ефективността на магнитните задвижвания.

Ключова роля в тази еволюция имат именно неодимовите магнити. Със своите характеристики те отвориха нови възможности за повишаване на мощността и ефективността на магнитните двигатели, бележейки повратна точка в развитието на тези технологии.

Въведение в неодимовите магнити

Открити през 80-те години, неодимовите магнити са най-мощните търговски достъпни постоянни магнити днес. Комбинацията от изключително силно магнитно поле и висока енергийна плътност в малък обем ги прави идеални за широка гама технологични приложения, включително в магнитни двигатели.

От нашия опит установяваме, че най-често използваните магнити за мотори и генератори имат характеристики, сходни с тези в този списък.

Уникални свойства на неодимовите магнити

• Изключителна магнитна сила: Неодимовите магнити генерират значително по-силни полета от други магнити със сходни размери.
• Устойчивост на размагнитване: Запазват магнитните си свойства дори при интензивна експлоатация.
• Компактност: Поради високата им енергийна плътност позволяват създаване на по-малки и по-ефективни двигатели там, където мястото е ограничено.

Предимства от използването на неодимови магнити в магнитни двигатели

• Повишена енергийна ефективност: Силното магнитно поле позволява по-ефективно енергийно преобразуване, намалявайки загубите и повишавайки общата производителност.
• Голяма мощност при малки размери: Двигателите могат да бъдат по-компактни без компромис с мощността или ефективността, което улеснява интеграцията им в повече приложения.
• Издръжливост: Устойчивостта на размагнитване и широкият температурен диапазон на работа ги правят подходящи за трудни условия.

Примери за съвременни електродвигатели с неодимови магнити

• Електрически превозни средства: Много от двигателите в електромобилите от последно поколение разчитат на неодимови магнити за ефективна тяга и по-добър пробег.
• Възобновяема енергия: Съвременните вятърни турбини използват неодимови магнити за максимална конверсия на енергията на вятъра в електричество, допринасяйки за по-висока ефективност на „зеленото“ производство.
• Индустриално оборудване: От помпи до високоскоростни генератори — неодимовите магнити са ключови за машини, изискващи висока енергийна ефективност и дългосрочна надеждност.

Глава 6: Размисъл върху продължаващите усилия

Тези опити отразяват разнообразие от подходи и идеи — от сериозни иновационни търсения до спекулации по границите на науката. Важно е да се отбележи, че макар патенти да могат да бъдат издавани за нови и нестандартни устройства, това не е потвърждение за тяхната практическа приложимост или жизнеспособност. Патентната защита стъпва върху новостта и описанието на изобретението, а не върху демонстрация на функционалност.

Перспективи

Постоянният интерес към магнитни „перпетуум“ двигатели и устройства за непрекъснато движение показва дълбоко човешко желание да надхвърляме граници и да откриваме нови начини за производство на енергия. Макар досега научно да не е доказана възможността за вечен двигател или за добив на енергия „от нищото“, тези усилия продължават да стимулират въображението и дискусиите за бъдещи технологии.

В крайна сметка изследването на идеи по ръба на научното познание е важна част от прогреса. И макар магнитните перпетуум двигатели засега да остават в сферата на спекулациите и псевдонауката, страстта и креативността на изобретателите, търсещи иновативни решения за енергийните предизвикателства на света, заслужават признание. Тези проучвания подчертават значението да запазим отворен ум, като същевременно оставаме здраво стъпили върху методологичната строгост на науката.