चुम्बक, चुम्बक, चुम्बक: हरित अर्थव्यवस्था के लिए हमें इनकी बहुत आवश्यकता होगी

मैं हाल ही में भाग लेने के लिए न्यूकैसल में था PEMD2022 - पावर इलेक्ट्रॉनिक्स, मशीन और ड्राइव पर 11वां अंतर्राष्ट्रीय सम्मेलन। जिस बात ने मुझे चकित किया वह न केवल इलेक्ट्रिक मोटरों और जनरेटरों में हो रहे भारी प्रदर्शन सुधारों से थी, बल्कि परिवहन को पूरी तरह से कार्बन-मुक्त बनाने के लिए हमें अभी भी कितनी दूर तक जाना है।

इलेक्ट्रिक कारों (पूरी तरह से बैटरी चालित, ईंधन सेल और प्लग-इन हाइब्रिड सहित) की वैश्विक बिक्री 2021 में दोगुनी होकर 6.6 मिलियन के सर्वकालिक उच्च स्तर पर पहुंच गई। वाहन बिक्री में अब उनकी हिस्सेदारी 5-6% है, पूरे 2012 की तुलना में प्रत्येक सप्ताह अधिक बिक्री हुई है, के अनुसार वैश्विक इलेक्ट्रिक वाहन आउटलुक 2022 रिपोर्ट.

प्रत्येक नए इलेक्ट्रिक वाहन को कम से कम एक उच्च-शक्ति इलेक्ट्रिक मोटर की आवश्यकता होगी।

अनुमान अलग-अलग हैं, लेकिन मार्केट रिसर्च फर्म के अनुसार, वैश्विक स्तर पर 65 तक वार्षिक बिक्री बढ़कर 2030 मिलियन इलेक्ट्रिक वाहनों तक पहुंचने की उम्मीद है। आईएचएस मार्किट. इसके विपरीत, आंतरिक दहन इंजन वाले वाहनों की वार्षिक बिक्री 68 में 2021 मिलियन यूनिट से घटकर 38 तक 2030 मिलियन हो जाएगी।

यह स्पष्ट है कि प्रत्येक नए इलेक्ट्रिक वाहन को कम से कम एक उच्च-शक्ति इलेक्ट्रिक मोटर की आवश्यकता होगी। इनमें से लगभग सभी (लगभग 85%) वाहन वर्तमान में स्थायी चुंबक (पीएम) वाले मोटरों का उपयोग करते हैं क्योंकि वे सबसे कुशल हैं (रिकॉर्ड 98.8%) है। कुछ लोग अल्टरनेटिंग करंट (एसी) इंडक्शन मोटर्स और जनरेटर का उपयोग करते हैं, लेकिन वे पीएम मोटर्स की तुलना में 4-8% कम कुशल, 60% तक भारी और 70% तक बड़े होते हैं।

फिर भी, ये गैर-पीएम मोटर और जनरेटर ट्रकों, जहाजों और पवन-टरबाइन जनरेटर के लिए बिल्कुल उपयुक्त हैं। इन्हें पुनर्चक्रित करना भी आसान होता है क्योंकि सैद्धांतिक रूप से ये एक ही पदार्थ (मान लीजिए अल्युमीनियम) से बने हो सकते हैं और फिर अपने जीवन के अंत में पिघल जाते हैं। कुछ कंपनियां, जैसे टेस्ला मोटर्स, प्रदर्शन और रेंज को अनुकूलित करने के लिए पीएम और इलेक्ट्रोमैग्नेटिक दृष्टिकोण को और अधिक जटिल डिजाइनों में जोड़ रही हैं। हालाँकि, इलेक्ट्रिक वाहनों में कोई भी प्रगति सॉलिड-स्टेट पावर इलेक्ट्रॉनिक्स में भारी प्रगति के बिना संभव नहीं होगी।

चुंबकीय आकर्षण

उत्तरी ग्रीस के मैग्नेशिया में एक चरवाहे ने देखा कि उसके जूते में कीलें हैं और उसके कर्मचारियों की धातु की नोक एक चुंबकीय चट्टान से तेजी से चिपकी हुई है (या ऐसा किंवदंती है) कि चुंबक ने एक लंबा सफर तय किया है। इन "लोडस्टोन्स" का उपयोग नेविगेशन के लिए कम्पास में हजारों वर्षों से किया जाता था, लेकिन 1800 के दशक की शुरुआत तक हंस क्रिश्चियन ओर्स्टेड ने यह पता नहीं लगाया था कि एक विद्युत प्रवाह कम्पास सुई को प्रभावित कर सकता है।

रोटरी गति वाली मोटर का पहला प्रदर्शन 1821 में हुआ जब माइकल फैराडे ने एक मुक्त लटकते तार को पारे के एक पूल में डुबोया, जिस पर एक पीएम रखा गया था। पहली डीसी इलेक्ट्रिक मोटर जो मशीनरी को घुमा सकती थी, ब्रिटिश वैज्ञानिक द्वारा विकसित की गई थी विलियम स्टर्जन 1832 में। अमेरिकी आविष्कारक थॉमस और एमिली डेवनपोर्ट ने लगभग उसी समय पहली व्यावहारिक बैटरी चालित डीसी इलेक्ट्रिक मोटर का निर्माण किया।

इन मोटरों का उपयोग मशीन टूल्स और प्रिंटिंग प्रेस को चलाने के लिए किया जाता था। लेकिन चूँकि बैटरी पावर इतनी महंगी थी, मोटरें व्यावसायिक रूप से असफल रहीं और डेवनपोर्ट्स दिवालिया हो गए। अन्य आविष्कारक जिन्होंने बैटरी चालित डीसी मोटर विकसित करने की कोशिश की, उन्हें भी बिजली स्रोत की लागत से जूझना पड़ा। अंततः, 1880 के दशक में, ध्यान एसी मोटरों की ओर गया, जिसने इस तथ्य का लाभ उठाया कि एसी को उच्च वोल्टेज पर लंबी दूरी तक भेजा जा सकता है।

पहली एसी "इंडक्शन मोटर" का आविष्कार 1885 में इतालवी भौतिक विज्ञानी गैलीलियो फेरारिस द्वारा किया गया था, जिसमें स्टेटर वाइंडिंग के चुंबकीय क्षेत्र से विद्युत चुम्बकीय प्रेरण द्वारा प्राप्त मोटर को चलाने के लिए विद्युत धारा का उपयोग किया गया था। इस उपकरण की खूबी यह है कि इसे रोटर के किसी भी विद्युत कनेक्शन के बिना बनाया जा सकता है - निकोला टेस्ला द्वारा एक व्यावसायिक अवसर का लाभ उठाया गया। 1887 में स्वतंत्र रूप से अपनी स्वयं की इंडक्शन मोटर का आविष्कार करने के बाद, उन्होंने अगले वर्ष एसी मोटर का पेटेंट कराया।

हालाँकि, कई वर्षों तक, पीएम के पास प्राकृतिक रूप से पाए जाने वाले मैग्नेटाइट (लगभग 0.005 टी) से अधिक क्षेत्र नहीं थे। 1930 के दशक में अलनिको (ज्यादातर एल्यूमीनियम, निकल और कोबाल्ट की मिश्र धातु) के विकास तक व्यावहारिक रूप से उपयोगी पीएम डीसी मोटर्स और जनरेटर की संभावना नहीं बनी थी। 1950 के दशक में कम लागत वाले, फेराइट (सिरेमिक) पीएम सामने आए, इसके बाद 1960 के दशक में समैरियम और कोबाल्ट मैग्नेट आए, जो फिर से मजबूत हो गए।

लेकिन असली गेम-चेंजर 1980 के दशक में नियोडिमियम पीएम के आविष्कार के साथ हुआ, जिसमें नियोडिमियम, आयरन और बोरॉन होते हैं। इन दिनों, नियोडिमियम पीएम के एन42 ग्रेड की ताकत लगभग 1.3 टी है, हालांकि जब चुंबक और मोटर डिजाइन की बात आती है तो यह एकमात्र प्रमुख मीट्रिक नहीं है: ऑपरेटिंग तापमान भी महत्वपूर्ण है।

कुछ दुर्लभ-पृथ्वी सामग्रियों की कीमतें आसमान छू रही हैं, जिससे नई चुंबक रचनाओं में भारी मात्रा में शोध को बढ़ावा मिला है।

ऐसा इसलिए है क्योंकि वार्म-अप के दौरान पीएम का प्रदर्शन गिर जाता है और एक बार जब वे "क्यूरी पॉइंट" (नियोडिमियम मैग्नेट के लिए लगभग 320 डिग्री सेल्सियस) से ऊपर चले जाते हैं, तो वे पूरी तरह से डीमैग्नेटाइज हो जाते हैं - जिससे मोटर बेकार हो जाती है। नियोडिमियम, कोबाल्ट और समैरियम सहित सभी दुर्लभ-पृथ्वी चुम्बकों के बारे में एक और महत्वपूर्ण बात यह है कि उनमें उच्च अवशोषकता होती है, जिसका अर्थ है कि ऑपरेशन के दौरान वे आसानी से विचुंबकित नहीं होते हैं। उच्चतम बलशीलता और सर्वोत्तम तापमान प्रदर्शन वाले चुम्बक बनाने के लिए आपको थोड़ी मात्रा में अन्य भारी दुर्लभ पृथ्वी जैसे डिस्प्रोसियम, टेरबियम और प्रेसियोडायमियम की भी आवश्यकता होती है।

आपूर्ति का प्रश्न

समस्या यह है कि दुर्लभ-पृथ्वी तत्वों की आपूर्ति कम है। ऐसा इसलिए नहीं है क्योंकि वे आंतरिक रूप से दुर्लभ हैं, उनका नाम केवल आवर्त सारणी में उनके स्थान से आता है। पिछले साल आई एक रिपोर्ट के मुताबिक मैग्नेटिक्स एंड मैटेरियल्स एलएलसी2030 तक दुनिया को उपलब्ध होने की संभावना से 55,000 टन अधिक नियोडिमियम मैग्नेट की आवश्यकता होगी, कुल मांग का 40% इलेक्ट्रिक वाहनों से और 11% पवन टर्बाइनों से आने की उम्मीद है।

चीन वर्तमान में दुनिया के सभी नियोडिमियम मैग्नेट का 90% बनाता है, यही कारण है कि अमेरिका, यूरोपीय संघ और अन्य सभी आपूर्ति श्रृंखला में अपनी क्षमताओं को विकसित करने की कोशिश कर रहे हैं ताकि नुकसान न हो। कुछ दुर्लभ-पृथ्वी सामग्रियों की कीमतें आसमान छू रही हैं, जिससे नई चुंबक रचनाओं, मौजूदा चुंबकों के पुनर्चक्रण और उन्नत एसी इंडक्शन मोटर्स पर भारी मात्रा में शोध को बढ़ावा मिला है।

आप इसे जिस भी तरीके से देखें, अगर हमें अर्थव्यवस्था को हरा-भरा करना है तो हमें बहुत सारे चुम्बकों की आवश्यकता होगी।