Никому не нужный большую часть ХХ века редкоземельный металл по имени "неодим" сегодня провоцирует геополитические конфликты на планете.
Как же так получилось?
Произошло это благодаря двум ученым, японцу и американцу. Их звали Масато Сагава и Джон Кроат. Они независимо друг от друга придумали неодимовые магниты и изменили мир.
Но - обо всем по порядку.
Сначала про магниты.
Современным людям кажется, что магниты были всегда и висели на холодильнике испокон веков. Но это не так.
Долгие столетия, если не тысячелетия, человечество вынуждено было довольствоваться природными магнитами. Природный магнит называется "магнетит", является оксидом железа и представляет собой кристаллообразную черную руду, которая обладает сильными магнитными свойствами.
Магнетит сделал очень много доброго людям. Именно он, например, позволил человечеству изобрести компас и начать эпоху Великих географических открытий.
Но когда в начале ХХ века начался резкий рост промышленности, экономика потребовала более сильных магнитов. И люди начали их придумывать - особенно почему-то усердствовали японцы.
Именно они обеспечили первый прорыв - в 20-е годы японский физик и металлург Котаро Хонда по прозвищу "Отец стали" (на фото - слева от Эйнштейна) придумал множество новых марок стали. Одна из них - сталь KS обладала высокой остаточной намагниченностью и коэрцитивной силой, что позволило ей стать отличной основой для постоянного магнита.
Что? Что такое коэрцитивная сила? Ну, это очень просто.
Любой магнит по сути представляет собой кусок железа (с добавками), который намагнитили. Прилипший к магниту гвоздик тоже будет притягивать железо, но слабо и недолго, он довольно быстро размагнитится. Постоянные магниты отличаются от этого гвоздика тем, что размагничиваются очень долго. Вот чем дольше магнит размагничивается - тем больше его коэрцитивная сила.
Поэтому у каждого магнита есть три главных характеристики - сила, с которой он притягивает (по-научному она называется "остаточная намагниченность"), коэрцитивная сила и третья характеристика - "точка Кюри".
Это тоже просто. Есть железная закономерность - с повышением температуры магнит начинает терять свои магнитные свойства. Точка Кюри - это температура, при которой магнит перестает быть магнитом и становится просто куском железа. Названа в честь первооткрывателя, француза Пьера Кюри, того самого, который вместе с женой открыл радиоактивность.
Так вот, возращаясь к "японским магнитам". Ученики "отца стали" (прежде всего - Токушичи Мусима) на базе его разработок придумали сплав Алнико. Название легко запомнить, поскольку оно представляет собой перечень добавок к железу. На 53% железа надо добавить 10% алюминия, 18% никеля и 19% кобальта.
Получался прекрасный магнит с высокой точкой Кюри и "силой притяжения" в несколько раз больше любых аналогов того времени. Но при этом не обошлось без минусом - размагничивался Алнико довольно быстро, сегодняшние магниты превосходят его по этому показателю в 10-15 раз.
Поэтому в 1950-е годы на смену Алнико пришли так называемые "ферритовые магниты". Их еще в 30-е изобрели другие японцы - Тогда Йогоро Като и Такеши Такеи из Токийского технологического института.
Ферритовые магниты делаются на базе оксида железа, и в этом их главное достоинство. Оксид железа, который составляет до 80% конечного продукта - это отход металлургического производства, он стоит копейки в буквальном смысле.
Именно тогда была создана компания TDK, которая и занялась производством ферритовых магнитов. Дела у них шли ни шатко ни валко, пока в 1950 году в голландской лаборатории компании Philips не накосячил лаборант.
Вообще-то эта лаборатория занималась не магнитами, а полупроводниками, и лаборанту надо было просто подготовить образец гексагонального феррита лантана - что бы это не значило. Но он все перепутал, и, как следствие, по ошибке в буквальном смысле слова был изобретен шикарный материал для постоянного магнита — феррит бария.
Ферритовые магниты очень дешевые, но очень слабенькие, а точка Кюри у них всего 280 °С.
Вы их все прекрасно знаете - как правило, именно ферритовые магниты украшают ваш холодильник.
А для серьезных вещей требовались магниты помощнее и поживучее. И их придумали, когда ученые плотно занялись редкоземельными металлами.
В начале 1960-х годов два американца - Карл Стрнат из лаборатории базы ВВС Райт-Паттерсон и Олден Рэй их Дейтонского университета, работавшие по заказу Пентагона, придумали магнит без железа - на базе кобальта с добавками самария.
Самариево-кобальтовые магниты были всем хороши - остаточная намагниченность до 1200 мТл, коэрцитивная сила превосходила показатели ферритовых магнитов в 10 раз, рабочая температура до 550 °C и точка Кюри до 800 °C.
Недостаток был только один - они стоили (и стоят), как половина танка. Причем - лучшая половина.
Дело в том, что самарий, без которого при их производстве не обойтись - чрезвычайно редкий элемент. Мало того, что его, как и все редкоземельные элементы, донельзя трудно выделить в чистом виде - так он еще и составляет всего около 0,8% от объема редкоземельной руды. Поэтому самариево-кобальтовые магниты используются разве что в высокопрофессиональной аппаратуре (о чем обычно горделиво сообщают на этикетке, как в наушниках на фото), либо, чаще всего - служат по военному ведомству.
В общем, возникла типичная в этом не лучшем из миров ситуация - есть магниты дешевые, но плохие. Есть хорошие, но им цены не сложишь.
Меж тем постоянные магниты начинали активно использовать самые разные производства, и их требовалось все больше и больше. Сами понимаете - именно экономика в конечном итоге правит наукой.
В конце 70-х, например, исследования по созданию новых магнитов резко интенсифицировались из-за устроенного Израилем и арабскими странами нефтяного кризиса. Пользоваться автомобилем стало очень дорого, поэтому цены на свои авто производители сбивали, как только могли. А в каждом автомобиле, на секунду, используется масса постоянных магнитов - от антиблокировочной тормозной системы до датчиков закрытия дверей.
Именно поэтому работавший в лаборатории General Motors американский исследователь Джон Кроат по заданию руководства носом землю рыл в поисках формулы сравнительно дешевого, но хорошего магнита.
И таки вырыл!
Придуманный им магнит был на базе железа с основной добавкой никому тогда не нужного неодима. Как установил Кроат, если к 64–69% железа добавить 29–33% неодима и (обязательно!) приправить эту смесь буквально 1-2% бора, получается замечательный магнит!
Его "сила притяжения" не уступала самариево-кобальтовым магнитам (до 1400 мТл), а коэрцитивная сила была даже выше (до 2000 кА/м против 1200 кА/м).
И все это - при несопоставимой цене. Потому что неодим - это вам не самарий!
Неодим - один из самых распростаненных редкоземельных металлов, его в земной коре примерно столько же, сколько меди или цинка, поэтому стоимость у него была очень даже щадящая.
В общем, триумф General Motors был назначен на ноябрь 1983 года, свой доклад Джон Кроат должен был сделать на конференции по магнетизму и магнитным материалам, проходившей в городе Питтсбурге.
Но...
Но тут на трибуну поднимается никому особо не известный японец Масато Сагава из корпорации Sumitomo Metal Industries, и рассказывает собравшимся про прорывное исследование по созданию магнитов из железа, неодима и бора. Вот фото этого исторического доклада.
Спору нет - в истории науки параллельные открытия уже происходили, причем не раз. Но никогда еще дистанция между ними не была столь мизерной - заявленные доклады разделяла буквально пара часов. При этом результаты японцев повторяли разработки американцев буквально один в один, разница была только в способе производства магнитов. Японцы использовали при производстве неодимовых магнитов сухой метод спекания, Кроат же предпочел отливание мокрым методом.
Это действительно было открытие, изменившее мир.
Почему?
Проще всего объяснить на примере.
Взять, к примеру, такой фактор, как миниатюризация, которая правит современным миром. Люди, заставшие появление персональных компьютеров, наверняка помнят дисководы для 5-дюймовых дискет.
Это была реальная гробина, этим устройством для считывания информации убить можно в прямом смысле слова.
Почему они были такими большими?
Потому что в них использовались ферритовые магниты. И меньше этот дисковод сделать невозможно - просто физические характеристики ферритовых магнитов этого не позволяют. Или такой, или никакой.
И никуда от этого ограничения не денешься, в компьютерах на постоянные магниты завязано самое главное - считывание информации жестким диском или дисководами.
А теперь представьте, какими были бы более-менее производительные ноутбуки, если бы не были изобретены неодимовые магниты.
Или размером с небольшой чемодан - если на ферритовых магнитах. Или - если на самарии - маленькие, но по цене сопоставимы с автомобилем. Каравай, каравай, кого хочешь - выбирай.
И так - везде.
Сегодня неодимовые магниты занимают порядка 95% всего мирового рынка постоянных магнитов.
Без них современная цивилизация уже не может обойтись. Слишком много секторов, где они являются незаменимыми комплектующими.
Вот только несколько примеров.
Главный принцип работы магнито-резонансных томографов - знаменитое МРТ-исследование - это изучение человеческого тела под воздействием магнитного поля. Без неодимовых магнитов не работает.
Без них не обойтись и в синхронных двигателях - а это ЧПУ-станки или шпиндели при металло- или деревообработке.
Как уже говорилось, это практически все жесткие диски и приводы персональных компьютеров.
Добавьте двигатели стремительно набирающих популярность электромобилей - именно в этот сектор уходит большая часть всего добываемого на Земле неодима. "Тесла", правда, пару раз обещала что-нибудь придумать, чтобы обойтись без этого редкоземельного элемента, но пока что ответ: "Никак, блин!".
Ну и последний факт, который дает исчерпывающий ответ на вопрос - почему неодим оказался на авансцене мировой геополитики.
Неодимовые магниты используются в бесщеточных двигателях постоянного тока, которые безальтернативно доминируют в современных беспилотниках. Высокая мощность при малом весе, которую обеспечивает неодим – критична для дронов. Хотят ли уйти от этой привязки?
Хотят.
Но безмагнитные двигатели (индукционные, reluctance) пока что используются только в экспериментальных БПЛА, которые по своим характеристикам пока еще безнадежно уступают серийным.
Ориентировочно 85–95% современных беспилотников используют двигатели с неодимовыми магнитами. Исключения составляют только самые бюджетные БПЛА, использующие ферритовые магниты, либо экспериментальные модели.
И самый последний штрих - для полноты общей картины.
По данным за 2023-2024 годы примерно 92–95% поставок на мировой рынок неодимовых магнитов идет из Китайской Народной Республики - китайцы практически монополизировали переработку редкоземельных металлов. Даже если сырье добывают в других странах, перерабатывать его все равно везут в КНР. При этом хотя бы условная альтернатива этой монополии в ближайшие 5-10 лет точно не появится.
Думается, нет нужды объяснять, почему тема редкоземельных металлов в мировой политике всплывает даже чаще, чем тема ядерного вооружения?