Kierrätysoperaattorit tuskailevat usein tuotteiden kanssa, joiden suunnittelussa ei ole mietitty lainkaan tuotteen kierrättämistä. EIT RawMaterialsin Baltic Sea Stakeholder Day –tapahtumassa syyskuun lopussa oli tarjolla harvinaista herkkua, kun Neo Performance Materialsin tytäryhtiön Magnequenchin Jim Herschenroeder antoi sähköautojen moottoreiden ja muiden tuotteiden suunnittelijoille vinkkejä, miten huomioida kierrätettävyyden näkökulma harvinaisiin maametalleihin pohjautuvien kestomagneettien valmistuksessa ja käytössä lopputuotteessa.
Amerikkalainen Neo Performance Materials on eurooppalaisittainkin kiinnostava yritys, sillä yhtiön omistamalla Silmetin laitoksella Viron Sillamäessä jalostetaan harvinaisten maametallien oksideja ja muita yhdisteitä.
Maailman vahvin magneetti
Vaikka NdFeB-kestomagneetti keksittiin jo 35 vuotta sitten, on se edelleen maailman tehokkain materiaali magneetteihin. Magnequench on yksi NdFeB-materiaalin keksijöistä.
Harvinaisiin maametalleihin perustuvat kestomagneetit ovat käytössä laajasti erilaisissa applikaatioista robotiikasta teollisuusautomaatioon, sähköautoihin, kulutuselektroniikkaan ja uusiutuvan energian teknologioihin. Kysynnän ennustetaan kaksinkertaistuvan seuraavan 10 vuoden aikana.
Kuva 1. Adamas Intelligence ennustaa kovan kysynnän aiheuttavan pulaa kestomagneeteista. (Lähde: Mining.com / Adamas Intelligence 2021)
Uudelleenkäyttöä ja kierrätystä
Kuvassa 2 alla on havainnollistettu harvinaisiin maametalleihin pohjautuvien kestomagneettien arvoketjua. Neo Performance Materials ei ole mukana harvinaisten maametallien mineraalien kaivostoiminnassa.
Kuva 2. NdFeB-kestomagneettien arvoketjun kierrätys- ja uudelleenkäyttömahdollisuuksia. (Lähde: Neo Magnequench, September 2021)
Elinkaarensa lopussa olevien tuotteiden sisältämien kestomagneettien uudelleenkäyttö on noussut kiertotalous-keskustelun myötä vahvemmin esille. Hiljattain kerroimme tällä sivustolla Googlen pilottiprojektissa, jossa yhtiön datakeskuksen laboratoriossa Mayesin piirikunnassa Oklahomassa purkaen käsin vanhoja kovalevyasemia. Tavoitteena oli irrottaa parin tuuman pituinen kokoonpano, johon kestomagneetit on kiinnitetty. Kuuden viikon urakan aikana tutkijat ottivat talteen 6 100 tällaista kiintolevyn kestomagneettiosaa, jotka kaikki olivat uudenveroisessa kunnossa, kertoo Grist artikkelissaan. Magneetit lähetettiin sitten kiintolevytehtaalle Thaimaahan, jossa niitä käytettiin uusien kiintolevyasemien valmistamiseen.
Kuva 3. Googlen projektissa irrotettiin käytetyistä kiintolevyistä kestomagneettien kokoonpanot (ks. magnet assembly kuvassa). (Kuva: HS Mag)
Neo Magnequenchin Jim Herschenroederin mukaan kestomagneettien uudelleenkäyttöön liittyy useita haasteita. Magneetit valmistetaan tiettyyn käyttökohteeseen, joten ne ovat hyvin eri muotoisia ja niillä on hyvin erilaisia ominaisuuksia. Vaikka magneetit saisi irrotettua käytöstä poistuvasta laitteesta, niiden käyttäminen muihin applikaatioihin on haastavaa.
Lisäksi esimerkiksi autonvalmistajat vaativat komponenteilta tasaista ja ennustettavaa saatavuutta sekä tasalaatuisia ominaisuuksia. Tähän vaatimukseen on uudelleenkäytön vaikea vastata. Magneettien uudelleenkäyttöä helpompaa on käyttää koko laite uudelleen, esimerkiksi päivittää kiintolevyaseman elektroniikka ja käyttää se uudelleen tuotteena.
Taloudelliset tekijät
Uudelleenkäytön ja kierrätyksen kannalta tärkeä tekijä on työn hinta eli paljonko magneetin irrotus kierrätykseen tulevasta laitteesta maksaa. Tässä yhtälössä suuri merkitys on sillä, millaisista kestomagneeteista puhutaan. Kuvassa 4 alla on Neo Magnequenchin laatima esimerkkilaskelma, jossa verrataan hybridiauton sähkömoottorin ja tietokoneen kiintolevyaseman akkujen uudelleenkäytön taloudellisia näkökulmia.
Kuva 4. Taloudelliset realiteetit pöytään: sähköauton moottorin isot magneetit on taloudellisesti järkevä irrottaa ja myydä erikseen, kiintolevyn magneettien irrottaminen ei ole käytännössä taloudellisesti kannattavaa. (Lähde: Neo Magnequench, September 2021)
Harvinaisten maametallien hinnat ovat nousseet voimakkaasti viimeisen 12 kuukauden aikana, mikä sataa kierrättämisen laariin. Sähköautojen moottoreissa käytettävät akut ovat tehokkaampia ja niissä on arvokkaammat raaka-aineet kuin kiintolevyjen magneeteissa. Olennainen muuttuja on työn hinta: jos sähköauton moottorin magneetit saa irrotettua 245, dollarin työkustannuksella, tulee hommasta kannattavaa. Kiintolevyaseman pienen magneetin kohdalla työkustannuksen pitäisi jäädä 0,2 dollariin.
Kierrätystä ei huomioida tuotesuunnittelussa
Kestomagneettien kierrätyksen haastavuutta lisää se, että kierrätettävyys ei yleensä ole mukana kriteerinä tuotteen suunnitteluvaiheessa. Kuva 5 alla havainnollistaa näitä ristiriitaisia ja osin kilpaileviakin suunnittelukriteereitä.
Kuva 5. Sähkömoottorin suunnittelun ja kierrätyksen ristiriitaiset tavoitteet. (Lähde: Neo Magnequench, September 2021)
Kun sähköauton moottoria suunnitellaan, tavoitteina on esimerkiksi paras mahdollinen suorituskyky, alhaiset tuotantokustannukset ja moottorin pitkä käyttöikä. Tästä johtuen magneetit usein pinnoitetaan ja liimataan/kiinnitetään tiukasti paikalleen, jotta estetään moottorivauriot.
Tästä seuraa kierrätykselle useita haasteita: pinnoitus nostaa magneettien kierrätyskustannuksia ja liimattuja magneetteja on vaikeampi irrottaa. Moottorit on suunniteltu kokoonpanoa, ei kierrätystä ajatellen, kiteytti Jim Herschenroeder vallitsevan tilanteen.
Kuva 6. Kierrätyksen kannalta erityisen hankalia valmistus- ja kokoonpanotapoja ovat liimaus, ruiskuvalu ja kapselointi teräksen sisään. (Lähde: Neo Magnequench, September 2021)
Miten magneettien kierrätystä voisi helpottaa suunnitteluvaiheen valinnoilla?
Herschenroeder antoi lopuksi vinkkejä sähkömoottoreiden suunnittelijoille. Toivottavasti yleisön joukossa oli myös tuotesuunnittelun väkeä mukana.
- Älä käytä pinnoitteita yksittäisissä magneeteissa. Fosfaattipinnoite yleensä riittää, koska moottori suojataan muutenkin korroosiolta.
- Jos mahdollista, käytä mekaanisia tapoja kiinnittää magneetit (jouset tai klipit). Vältä liiman ja epoksi- tai muovimuottien käyttöä.
- Jos orgaanisia liimoja tai pinnoitteita on pakko käyttää, pyri käyttämään sellaisia tuotteita, jotka eivät poltettaessa synnytä myrkyllisiä kaasuja tai yhdisteitä
- Yksinkertainen rakenne helpottaa moottorin purkamista. Helpottaa myös kuparikäämien kierrätystä.
Toim.huom. Harvinaisiin maametalleihin pohjautuvien kestomagneettien kierrätyksestä puhutaan paljon ja Suomessakin niiden irrotusta ja liuotusta on testattu yrityksissä ja tutkimusmaailmassa. Tälläkin sivustolla on uutisoitu useasti tästä aiheesta viimeisten kolmen vuoden aikana. Mutta EIT RawMaterialsin seminaarissa kuultu Neo Magnequenchin esitys oli harvinaista herkkua, kun joku tätä bisnestä ihan oikeasti ymmärtävä henkilö kertoo magneettien kierrätyksen teknisistä ja taloudellisista haasteista ja mahdollisuuksista.
Kriittisemateriaalit.fi-sivusto on Huoltovarmuuskeskuksen Teknologiapoolin hallinnoima sivusto, joka seuraa suomalaisen teollisuuden kannalta kriittisten metallien ja mineraalien sekä elektroniikkakomponenttien markkinoiden kehitystä erityisesti jatkuvuudenhallinnan ja huoltovarmuuden näkökulmasta. Lisätietoja: jarkko.vesa(at)notinnovatedhere.fi
(Julkaistu 1.10.2021)
Lähteet:
- Rare Earth Magnets: Design Considerations for a Circular Economy. Jim Herschenroeder, Neo Magnequench, Neo Performance Materials. EIT RawMaterials Baltic Sea Stakeholder Day 30.9.2021.
- China frictions steer electric automakers away from rare earth magnets. Mining.com, 19 July 2021.
Lisää aiheesta:
