Imanes permanentes: relevancia y desafíos en su reciclaje

Autores:

MCs. Irving Sixto Aguilar Zamorate (a01336855@tec.mx). Escuela de Ingeniería
y Ciencias, Tecnológico de Monterrey, Campus Ciudad de México.

Dr. Renato Galluzzi (renato.galluzzi@tec.mx). Escuela de Ingeniería y Ciencias,
Tecnológico de Monterrey, Campus Ciudad de México. Grupo de investigación:
Energy conversion, storage and management.

Dr. Luis Ibarra (Ibarra.luis@tec.mx). Instituto de Materiales Avanzados para la
Manufactura Sostenible, Tecnológico de Monterrey, Campus Ciudad de México.

Quizás has usado imanes en juguetes, pizarrones o incluso para decorar el refrigerador. Los imanes parecen ser solamente accesorios sin mucha relevancia, sin embargo, son elementos fundamentales en aplicaciones industriales y los aprovechamos diariamente. Pero primero, ¿Qué es un imán?

Básicamente, un imán es un elemento que, de forma permanente, mantiene un campo magnético. La interacción entre campos (atracción y repulsión), así como entre materiales como los metales, permite transmitir fuerzas y movimientos. Combinando imanes y diferentes materiales, es posible lograr mecanismos avanzados con aplicaciones muy diversas. Por ejemplo, los imanes son importantes para fabricar motores eléctricos de alta eficiencia que se usan para mover vehículos eléctricos y generadores eólicos.

Sin embargo, no todos los materiales pueden ser imanes. En la tabla periódica hay 17 elementos conocidos como “tierras raras” que corresponden con 15 elementos de la serie de los lantánidos más el Itrio (Y) y el Escandio (Sc). A veces son la única opción en aplicaciones industriales de tecnología de punta como baterías y superaleaciones¹, críticas en la producción de computadoras, motores a imanes permanentes, láseres y pantallas. Asimismo, son usadas en industrias maduras como lo son la petroquímica para catalizadores, la vidriera, de iluminación y metalúrgica que en conjunto representaron el 59% del consumo global en 2011 [1].

Existe una industria entera dedicada a minar esas tierras raras y convertirlas en imanes útiles para otros procesos. De acuerdo con un informe del 2020 del British Geological Survey (Sociedad Británica de Geología), en 2017 China concentró el 77% de la producción de tierras raras, seguido por Birmania con 11% y Australia con 9%. Más aún, la producción minera global entre 1993 y 2017 de tierras raras ha crecido a un ritmo anual promedio del 6% [2]. En la Tabla1, se muestran datos actualizados del U.S. Geological Survey (Sociedad Estadounidense de Geología) del informe de producción en 2022 y las reservas mundiales de tierras raras, mientras que en la Figura 1 un mapa del mundo nos ilustra la distribución de reservas en estos países. Estos indicadores muestran la importancia de las tierras raras para la fabricación de dispositivos modernos.

Los imanes permanentes son relevantes porque representan del 80% al 90% del total del valor del mercado de tierras raras [4]. Particularmente, los imanes permanentes NdFeB constituidos por una mezcla sinterizada, es decir, compactada, de neodimio (Nd), hierro (Fe) y boro (B), son ampliamente utilizados desde la década de los ochenta. Estos imanes son difícilmente sustituibles en aplicaciones de alto rendimiento [5].

En el ámbito de la electromovilidad, el 95% de los vehículos eléctricos usan imanes permanentes de tierras raras en los motores de tracción eléctrica y el requerimiento mundial crecerá de 5 mil toneladas en 2019 hasta las 70 mil toneladas por año para el 2030. Por otra parte, más de 100 mil toneladas de estos imanes son requeridos cada año en los sectores de energía renovable, maquinaria industrial, robótica, bocinas, bombas de agua, movilidad y en las tecnologías de la información [4].

El problema de la extracción de tierras raras es que implica el uso de minerales ácidos tóxicos y puede conducir a la acumulación de residuos radiactivos. Lo anterior se debe a que los depósitos también pueden contener torio (Th)
y uranio(U)[6]. Además, dejando de lado la contaminación asociada con la extracción y transformación, los imanes producidos en masa se degradan poco a poco, de manera que, al final de su vida útil o de la vida útil del dispositivo en que fueron aplicados, será necesario reciclarlos. Sin embargo, sólo una mínima parte de las tierras raras es reciclada. Por ejemplo, en 2016, fue menor al 1% del total usado [1]. Una de las principales dificultades es que los productos con estos elementos vienen en cantidades muy variables: desde pocos miligramos hasta varios kilos como en los motores para los autos híbridos y eléctricos. Asimismo, existe una dificultad para separar o aislar las tierras raras de otros elementos, ya que comúnmente están mezclados. Finalmente, hay tecnologías que hacen uso de un gran volumen de tierras raras (como los vehículos eléctricos) que aún no llegan al final de su vida útil, de forma que las estrategias de recuperación y reciclaje a gran escala son inciertas. En pocas palabras, es muy complicado hacer o planear negocios alrededor de su reciclaje en la actualidad.

Un estudio de 2022 que analizó los impactos de la escases de recursos minerales para el sector automotriz, muy en particular, la compañía sueca Volvo, mostró que el neodimio en los imanes permanentes es el material con la mayor probabilidad de interrupción en el corto plazo [7]. Esto se debe a que ciertas naciones y empresas han acaparado su producción, las reservas están concentradas en un puñado de naciones, liderado por China, su precio es muy volátil y el aumento en la demanda está acelerando el agotamiento del recurso. Para profundizar en lo anterior, más del 90% de los imanes con tierras raras son producidas en China actualmente. La alta concentración en la producción, así como el incremento de la demanda local china de vehículos eléctricos, han logrado que el suministro futuro sea incierto [4]; sin olvidar que las tensiones geopolíticas han aumentado en los últimos años.

Por consiguiente, la investigación y desarrollo de motores eléctricos con imanes sin tierras raras o sin imanes, como los motores síncronos de reluctancia variable, han sido impulsados en la academia y la industria. Sin embargo, aún no han logrado equiparar el reducido peso de los motores que emplean tierras raras y tampoco su alta eficiencia energética.

Además, se están desarrollando procesos avanzados de reciclaje para imanes permanentes. Así, una de las técnicas más prometedoras que están siendo desarrolladas es la pulverización de los imanes NdFeB, que por medio de separación con hidrógeno a temperatura ambiente y presión atmosférica, permite formar nuevos imanes NdFeB sinterizados [5].

Desde 2010, Japón, la Unión Europea y Estados Unidos han invertido en crear una cadena completa de reciclaje de tierras raras que comprende la recolección, el incremento en la eficiencia de separación física y procesos metalúrgicos que recuperen y refinen estos elementos [5]. En la Figura 2 se muestra la cadena de valor y esquemas de reciclaje para reincorporar el producto con imanes de tierras raras que ha concluido su vida útil en diversas etapas, elaborada por la Alianza Europea de Materias Primas [4].

Es cierto que necesitamos a las tierras raras para aplicaciones maduras y de alta tecnología debido a sus propiedades singulares. No obstante, enfrentamos diversos problemas alrededor de ellas en ámbitos ambientales, técnicos y geopolíticos. Su extracción sigue creciendo y se concentra en algunos países, como China. Por otro lado, implica riesgos para el medio ambiente y las personas. Actualmente, muy pocas cantidades son recicladas debido a la variabilidad en el volumen y la dificultad en la separación.

Es por lo anterior que existe un esfuerzo desde la industria y la academia para desarrollar tecnologías que no las usen, o que aprovechen imanes reciclados, incluso a costa de una reducción en el rendimiento operativo esperado. En el Tecnológico de Monterrey, unimos esfuerzos con universidades y centros de investigación de la Comunidad Europea, bajo la iniciativa “2ZERO: Nextgen EV components: High efficiency and low cost electric motors for circularity and low use of rare resources”2 [8], para aprovechar imanes reciclados en motores para vehículos eléctricos. Por un lado, buscamos técnicas novedosas para enfriar el motor, pues las altas temperaturas perjudican a los imanes permanentes. Por otra parte, se trabaja en modelos matemáticos para estimar la salud del imán durante su funcionamiento, con el fin de protegerlo en caso de anomalías o condiciones extremas de uso.

Quién diría que esos “juguetitos” estarían determinando el futuro de la industria especializada y nuestra vida diaria. 

¹ Una superaleación es una mezcla de dos o más elementos que producen un material con alta resistencia mecánica, a la temperatura, a la corrosión y a la oxidación.

² Componentes para vehículos eléctricos de la próxima generación: motores eléctricos de alta eficiencia y bajo costo para permitir circularidad y reducción en el uso de tierras raras.

Referencias

[1] S. M. Jowitt, T. T. Werner, Z. Weng, y G. M. Mudd, “Recycling of the rare earth elements”, Curr. Opin. Green Sustain. Chem., vol. 13, pp. 1–7, oct. 2018, doi: 10.1016/j.cogsc.2018.02.008.

[2] BGS y MineralsUK, “The potential for rare earth elements in the UK”, may 2020, [En línea]. Disponible en: https://www2.bgs.ac.uk/mineralsuk/download/cmp/REE.pdf

[3] Daniel J. Cordier, “RARE EARTHS”, U.S. Geological Survey, ene. 2023. Consultado: el 20 de abril de 2023. [En línea]. Disponible en: https://pubs.usgs.gov/periodicals/mcs2023/mcs2023-rare-earths.pdf

[4] R. Gauß et al., “Rare Earth Magnets and Motors: A European Call for Action”, A report by the Rare Earth Magnets and Motors Cluster of the European Raw Materials Alliance, Berlin, 2021.

[5] J. H. Rademaker, R. Kleijn, y Y. Yang, “Recycling as a Strategy against Rare Earth Element Criticality: A Systemic Evaluation of the Potential Yield of NdFeB Magnet Recycling”, Environ. Sci. Technol., vol. 47, núm. 18, pp. 10129–10136, sep. 2013, doi: 10.1021/es305007w.

[6] S. Chu, Critical Materials Strategy. DIANE Publishing, 2011.

[7] H. André y M. Ljunggren, “Short and long-term mineral resource scarcity impacts for a car manufacturer: The case of electric traction motors”, J. Clean. Prod., vol. 361, p. 132140, ago. 2022, doi: 10.1016/j.jclepro.2022.132140.

[8] European Commission, “Funding & tender opportunities,” Funding & tenders, Jun. 01, 2023. https://ec.europa.eu/info/funding- tenders/opportunities/portal/screen/opportunities/topic-details/horizon-cl5- 2022-d5-01-09 (accessed Jun. 01, 2023).

ANEXO

Resumen: Las tierras raras son elementos clave en diversas industrias y nuevas tecnologías, por lo cual, su extracción y demanda siguen creciendo. Entre éstas, están los imanes permanentes, relevantes debido a su aplicación en máquinas eléctricas para la transición energética. No obstante, tienen un alto riesgo de interrupción debido a factores económicos, geopolíticos y ambientales, lo que ha promovido su reciclaje. Sin embargo, sólo una mínima parte de éstos es reciclada y aún no existen tecnologías maduras para la separación los elementos que los conforman. De frente a una demanda global creciente, actualmente existen esfuerzos para reciclar y reincorporar dichos materiales en la cadena de suministro.

Importancia de investigación:

Los imanes permanentes de tierras raras son clave para la transición energética (electromovilidad y uso de energías alternativas). Conocer sobre ellos y los retos en su reciclaje es relevante.

Disciplina: Física

Área de aplicación: Electromovilidad, energías alternativas.

Industria mayormente relacionada: Automotriz (híbrida y eléctrica), energías alternativas (generadores eléctricos).