Lur arraroko iman

Lur arraroko iman bat lur arraro bezala ezagutzen diren elementu kimikoen aleazioez sortutako iman sendo bat da. Iman arruntekin alderatuz, eremu magnetiko indartsuagoak dituzte eta etengabe magnetizatuta dauden materialez osatuak daude.  

“Lur arraroa” izena erabili arren ez dira bereziki arraroak, izan ere, eztainua edo beruna bezain oparoak dira . Hauen berezitasuna eremu magnetikoa da, normalean erabiltzen diren ferritazko imanak 0,5 eta 1 tesla bitarteko eremu magnetikoa dute; lur arrarokoek, berriz, 1,4 teslatik gorakoa izan dezakete. 

Konposatu hauen interesa iman iraunkor gisa 1966an hasi zen Estatu Batuetako Aire Armadako Materialen Laborategiko K. J. Strnat eta G. Hoffer zientzialariek itrio eta kobaltozko YCo₅ aleazioa aurkitu zutenean, ezagutzen den edozein materialek baino anisotropia magnetiko handiagoa baitzuen . Azkenean 1970 eta 1980ko hamarkadetan garatu egin ziren, eta hortik aurrera haien erabilpena asko handitu da dituzten propietateei esker.

Munduko ekoizle nagusia Txina da , baina lur arraroetako materialak Myanmartik inportatzen dituzte. Hainbat herrialdek elementu hauen garrantzia estrategikoa azpimarratzen dute, eta lur arraroak erabiltzen ez dituzten beste alternatibak bilatzen ari dira Txinako esportazio murrizketak direla eta .

 Materialaren konposizioa 
Lur arraroetako elementuak (lantanoideak) ferromagnetikoak diren metalak dira, baina giro-temperaturan ez dute magnetismorik Curie tenperatura baxua dutelako. Hala ere, lur arraroko imanak sortzeko konposatu desberdinak erabiltzen dira, hala nola burdina, nikela eta kobaltoa, eta horietako batzuek giro-tenperatura baino Curie tenperatura handiagoak dituztenez, magnetismoa tenperatura epelagoetan lortu daiteke.

Iman hauek duten abantaila nagusia haien egitura kristalinoak duten anisotropia magnetikoa da, oso handia delako eta beraz norabide jakin batean magnetizatzea erraza da, baina beste edozein norabideetan magnetizatzeari eutsi egiten dio. Propietate honekin batera, maila atomikoan momentu magnetiko handia izateak indar handia eragitea dakar.

Elementu hauen atomoen ezaugarri bereizgarrien artean, momentu magnetiko handiak atxikitzeko gaitasuna solido-egoeran aurki dezakegu. Hau, f azpigeruzako elektroiak bete gabe egotearen ondorio da, izan ere, 7 elektroi parekatu gabe eduki ditzakete arantza lerrokatuekin. Elektroi horiek oso trinko kokatuta daudenez, momentu magnetikoak modu eraginkorrean mantentzen dituzte, zentro paramagnetiko gisa jokatuz. Aitzitik, beste orbital batzuetan, elektroien momentu magnetikoa galdu ohi da auzokideekin gainjartze handiak gertatzen direnean; esaterako, lotura kobalenteetan, elektroiek zero espineko pareak osatzen dituzte, eta horrek momentu magnetikoa baliogabetzen du.

Aipatzekoa da oso hauskorrak direla, baita korrosioarekiko oso kalteberak ere. Hori dela eta, metalezko edo pinturazko geruza babesle batekin estaltzen dira hausturak edo ezpalketak ekiditzeko.

 Propietate magnetikoak 
Lur arraroko elementuak ferromagnetikoak direnez, magnetizatuak izan daitezke iman iraunkor bilakatzeko. Hala ere, Curie tenperatura giro-tenperatura baino baxuagoa dutenez, haien magnetismoa soilik tenperatura baxuetan agertzen da. Trantsizio metalekin konposatzen baditugu (adibidez, burdina, nikela edo kobaltoa), elementuaren Curie tenperatura giro-tenperatura baino askoz handiagoa izatea lor dezakegu. Konposatu hauek lur arraroko imanak eratzeko erabiltzen dira. 

Material hauen propietate magnetiko nabarmenen artean energia-dentsitate handiak metatzeko ahalmena dago. Egoera solidoan, lur arraroetako atomoek momentu magnetiko altuak garatzen dituzte f azpigeruzako elektroi parekatu gabeei esker. Elektroi hauek norabide berean biratzen dutenez, eremu magnetiko sendo bat sortzen dute, materialari erremanentzia altua emanez. Ondorioz, energia-dentsitate maximoa (B·Hmax) asetasun magnetikoarekiko (Js2) proportzionala denez, neodimiozko imanek bolumen berdinarekin beste iman batzuek baino 18 aldiz energia magnetiko handiagoa metatzeko ahalmena dute. Honek lur arraroko imanek tamaina txikiagoa izateko aukera ematen du, indar magnetikoan galerarik sortu gabe.

Iman iraunkorrak alderatzeko erabiltzen diren propietate garrantzitsu batzuk hauek dira: erremanentzia magnetikoa (Br), eremu magnetikoaren indarra neurtzen duena; hertsagarritasuna (Hci), materialak desmagnetizatzeko duen erresistentzia; energia-produktua (B·Hmax), energia magnetikoaren dentsitatea; eta Curieren tenperatura (TC), materialak magnetismoa galtzen duen tenperatura. Lur arraroko imanek erremanentzia handiagoa dute, baita koertzibotasun eta energia-produktu handiagoa ere; hala ere (neodimioren kasuan) Curieren tenperatura beste mota batzuena baino txikiagoa da. 

 Motak 
 Samario-kobaltoa 
Samario-kobalto imanak asmatutako lehenengo lur arraroko imanak izan ziren eta izenak adierazten duen bezala, samarioz eta kobaltoz osatuta daude (SmCo₅). Neodimiozko imanak baino gutxiago erabiltzen dira, kostu handia dutelako eta eremu magnetikoaren indarra ahulagoa delako. Hala ere, samario-kobalto imanek Curie tenperatura handiagoa dute, eta iman horientzako nitxo bat sortzen dute, eragiketa-tenperatura altuetan eremu-indar handia behar duten aplikazioetan. Erresistentzia altua dute oxidazioarekiko, baina nahiko hauskorrak dira eta ezpaldu eta arrakalatzeko joera dute; gainera, talka termikoa gertatuz gero hautsi egin daitezke.

 Neodimioa 
Neodimiozko imanak neodimio, burdina eta boro aleazio batez osatuta daude (Nd₂Fe₁₄B) eta lur arraroetako imanik indartsuenak eta eskuragarrienak dira.

Iman hauek eremu magnetiko handiagoa baina Curie tenperatura txikiagoa dute ohiko imanekin alderatuz; gainera, samario-kobalto imanak baino zaurgarriagoak dira oxidazioarekiko. Ahultasun horri aurre egin ahal izateko gainazala babesteko tratamenduak erabiltzen dira, hala nola urrea, nikela edo eztainuarekin ijeztea eta epoxi erretxinarekin estaltzea.

1980. urtean asmatu ziren, eta hasieran iman hauen kostu altuak bere erabilera mugatzen zuen, eremu-indar altu batekin batera trinkotzea eskatzen zuten aplikazioetarako, bai lehengaiak, bai patente-lizentziak garestiak zirelako.  

 Ferrita 
Lehengai nagusiak Barium hexaferrita (BaFe₁₂O₁₉) eta Strontium hexaferrita (SrFe₁₂O₁₉) dira. Material hauskorra da eta ehundura gogorra dauka. Ferritazko imana asko erabiltzen da tenperaturarekiko duen erresistentzia onagatik, prezio baxuagatik eta errendimendu moderatuagatik .

 Alnico 
Aluminioz (Al), Nikelez (Ni), Kobaltoz (Co), Burdinaz (Fe) eta beste elementu metaliko batzuez osatutako aleazioa da. Galdaketa prozesua tamaina eta forma desberdinetan egin daiteke. Urtuzko aluminio, nikel eta kobaltoz osatutako iman iraunkorrak tenperatura-koefiziente itzulgarriena du, eta laneko tenperatura 600 ºC-ra irits daiteke. Iman hauek oso erabiliak dira hainbat tresnatan, baita beste aplikazio batzuetan ere .

Aipatutako lau iman moten artean, neodimiozko eta samario-kobaltozko imanak indartsuenak dira. Beheko taulan lur arraroko bi imanek, neodimioa (Nd2Fe14B) eta samario-kobaltoa (SmCo5), daukaten errendimendu magnetikoaren propietateak ikus daitezke beste iman permanente mota batzuekin alderatuz.

 Materiala Prestaketa Br(T) Hci(kA/m) B·Hmax(kJ/m3) TC(°C) Nd2Fe14B sinterizatua 1.0–1.4 750–2000 200–440 310–400 lagatua 0.6–0.7 600–1200 60–100 310–400 SmCo5 sinterizatua 0.8–1.1 600–2000 120–200 720 Sm(Co,Fe,Cu,Zr)7 sinterizatua 0.9–1.15 450–1300 150–240 800 Alnico sinterizatua 0.6–1.4 275 10–88 700–860 Ferrita sinterizatua 0.2–0.4 100–300 10–40 450 Iron (Fe) suberatua ? 800Introduction to Magnets and Magnetic Materials, David Jiles, Ames Laboratrories, US DoE, 1991 ? 770Beichner and Serway. Physics for Scientists & Engineers with Modern Physics. 5th ed. Orlando: Saunders College, 2000: 963Curie Temperature." McGraw-Hill Encyclopedia of Science & Technology. 8th ed. 20 vols. N.P: McGraw-Hill, 1997Hall, H.E and J.R. Hook. Solid State Physics. 2nd ed. Chichester: John Wiley & Sons Ltd, 1991: 226.

 Arriskuak 
Lur arraroetako imanek eremu magnetiko indartsuak sortzen dituzte, eta horrek iman arruntak baino arrisku gehiago dakartza. Arrisku horien artean pertsonak zauritu ditzaketenak eta pieza elektronikoetan eragin zuzena izan ditzaketenak daude.

 Kasu aipagarri batzuk 

 Disko gogor edo txartela bezalako informazioa biltegiratzeak ezabatzea.
 CRT monitoreen itzal-maskara magnetizatzea.
 Bi imanen artean edo iman baten eta metalezko gainazal baten artean harrapatuta dauden gorputz-atalak zauritzea edo hezur hautsiak eragitea .
 Imanak irenstean digestio-aparatua imanen artean harrapatuta geratzea eta zauriak eragitea Magnet safety alert. US Consumer Product Safery Commission. https://web.archive.org/web/20090320001139/http://www.cpsc.gov/cpscpub/pubs/magnet.pdf.
 Hurbil kokatzen diren imanak indar handiz talka egitean, haien materiala haustea eta sortutako espalekin lesioak eragitea.

 Aplikazioak 
Lur arraroetako imanek aurkitu zirenetik, erabilera zabala izan dute. Hala ere, 1990eko hamarkadaren hasieratik, neodimiozko imanen prezioa etengabe jaitsi da eta kostu baxuek erabilera berriak agerraraztea eragin du. Prezioen jaitsiera zela kausa, merkatuko beste imanak ordezkatu zituzten. Iman hauek txikiak, arinak eta indartsuak direnez, teknologia berrietan oso erabilgarriak dira. 

 Aplikazio komunak 
Lur arraroetako imanen aplikazio komunen artean daude:

 Disko gogorrak, eramangarriak zein ordenagailuenak.
 Aerosorgailuak.
 Bozgorailuak eta entzungailuak.
 Bizikleta.
 Arrantza-orgen balaztak.
 Iman iraunkorren motorrak haririk gabeko zulagailuetan.
 Autoelikadurazko linternak, lur arraroen imanei esker astinduz elektrizitatea sortzen dutenak.

 Beste aplikazio batzuk 
Lur arraroen imanen beste aplikazio batzuk honako hauek dira:

 Motor linealak (adibidez, lebitazio magnetikoko trenetan erabiltzen dira).
 Lebitazio diamagnetikoko esperimentazioa, eremu magnetikoen dinamikaren azterketa eta supereroankortasun bidezko lebitazioa (Meissner efektua).
 Errodamendu elektrodinamikoa.
 Errusiar mendien teknologia.
 LED Throwie: LED throwie bat (euskaraz, LEDak jaurtitzea) LED txiki bat da, eskumuturreko erloju-pila eta lur arraroko iman bati lotua (normalean epoxi eroalearekin edo zinta elektrikoarekin), grafiti ez-suntsitzailea eta argi-pantailak sortzeko erabiltzen dena.
 Gitarra elektrikorako pilulak.
 Warhammer 40.000 miniaturak eta Warhammer Fantasy Battle jokoetarako. Lur arraroetako imanek ospea irabazi dute miniatura-jokoen komunitatean haien tamaina txikiagatik eta indar erlatiboagatik, WYSIWYG bihurketetara atxikitzeko modeloen arteko arma-trukean lagunduz.
 Indukzio elektromagnetikoaren eta flameo aeroelastikoaren printzipioen bidez elektrizitatea sortzeko windbelta.

 Ingurumen-inpaktua 
Lur arraroko imanak ekoizteko behar diren lurrak erauztea oso kaltegarria da ingurumenerako. Prozesu honek aire zabaleko meatzaritza eskatzen du, landaredia suntzitzen dute eta ekosistema lokalak asaldatzen ditu. Bestalde, mineral hauen prozesamenduan gas toxikoen isurketa nabaria da eta produktu kimiko toxikoak erabiltzen dira, hala nola azido sulfurikoak eta nitrikoak. Prozesu hau behar bezala kudeatzen ez bada, ura, lurzorua eta airea kutsa ditzakete inguruko komunitatearen osasuna kaltetuz. 

Europar Batasunari dagokionez bekak eman dira, besteak beste, Thomas Zemb eta Jean-Christophe P. Gabriel ikerlariek garatutako “REE-CYCLE” proiekturako, lur arraroak birziklatzeko prozesu berriak bilatzea helburu zuena . Gainera, ETN-Demeter proiektua (European Training Network for the Design and Recycling of Rare-Earth Permanent Imnet Motors and Generators in Hybrid and Full Electric Vehicles)  ibilgailuetan erabiltzen diren motor elektrikoen diseinu jasangarria aztertzen ari da hauek erraz kendu ahal izateko, lur arraroetako metalen birziklapena erraztuz. 

Ameriketako Estatu Batuetako Energia Sailak lur arraroko metalen ordezkoak aurkitzea izan du helburu, iman iraunkorren teknologiari dagokionez. Horren ondorioz, ikerketa hauek finantzatzen hasi da. Agency-Energy Ikerketa Proiektu Aurreratuak (ARPA-E) Teknologia Kritikoetan “Rare Earth Alternatives in Critical Technologies” (REACT) programa sustatu du 2011n 31,6 milioi dolarreko inbertsioa eginez .

 Erreferentziak 

 Kanpo estekak