مهندسان حوزه‌های دفاعی و انرژی پاک برای ساخت فناوری‌های نوین به آهن‌رباهای دائمی قدرتمند وابسته‌اند؛ اما تولید این محصولات به عناصر نادر خاکی گران‌قیمت و دشوار برای پالایش متکی است. دانشمندان آزمایشگاه ملی ایمز آمریکا با استفاده از هوش مصنوعی در تلاش‌اند مواد مغناطیسی جدیدی را جایگزین عناصر نادر خاکی کنند؛ اقدامی که بخشی از ماموریت وزارت انرژی ایالات متحده برای تقویت زنجیره‌های تامین داخلی است.
به گزارش فولادنیوز، آهن‌رباهای ساخته‌شده از عناصر نادر خاکی از اجزای مهم تجهیزات نظامی پیشرفته در وزارت دفاع است. این آهن‌رباها در سامانه‌های هدایت موشک‌های دقیق، پهپادهای خودکار و موتورهای اصلی ناوگان زیردریایی‌های مدرن به کار می‌روند. عناصر نادر خاکی، قدرت فوق‌العاده و پایداری این آهن‌رباها را در دمای بالای عملیاتی فراهم می‌کنند؛ بنابراین یافتن جایگزین، مستلزم حفظ عملکرد مشابه بدون افزایش هزینه تولید یا ایجاد کمبودهای جدید در مواد اولیه است.
آهن‌رباهای دائمی بدون نیاز به جریان الکتریکی خارجی، نیروی مغناطیسی خود را به‌طور پیوسته حفظ می‌کنند. این ویژگی منحصربه‌فرد، آن‌ها را به اجزایی حیاتی در موتور خودروهای برقی، ژنراتورهای توربین‌های بادی، رادارهای دفاعی و تجهیزات الکترونیکی مصرفی تبدیل کرده است.
پراشانت سینگ، دانشمند آزمایشگاه ایمز، یک فرایند مبتنی بر هوش مصنوعی توسعه داده است که تاثیر ساختارهای اتمی بر نیروی مغناطیسی را پیش‌بینی می‌کند. این سامانه، مدل‌های فیزیک کوانتومی، شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای پرسرعت و پایگاه‌های داده مواد را در یک ابزار آزمایشی واحد ترکیب می‌کند. برخلاف ابزارهای متعارف هوش مصنوعی که صرفاً داده‌های موجود را بازپردازش می‌کنند، این چارچوب از قوانین بنیادی فیزیک بهره می‌گیرد. مدل مذکور ترکیب‌های اتمی نظری را بررسی می‌کند که تاکنون در آزمایشگاه به‌صورت فیزیکی تولید نشده‌اند. این فرایند همچنین مواد پیشنهادی را از نظر صرفه اقتصادی و امکان تامین داخلی ارزیابی می‌کند و عناصری را که سمی، بیش از حد گران یا تهیه آن‌ها در ایالات متحده دشوار است، کنار می‌گذارد.
ابزار جدید غربالگری آهن‌ربا، مستقیماً بر پایه سامانه هوش مصنوعی داکت جی‌پی‌تی (DuctGPT) ساخته شده است؛ سامانه‌ای که پیش‌تر در آزمایشگاه ایمز توسعه یافت. دانشمندان ابتدا داکت جی‌پی‌تی را برای کشف مواد پیشرفته‌ای طراحی کردند که بتوانند دمای شدید داخل راکتورهای همجوشی را تحمل کنند، ولی داکت جی‌پی‌تی نشان داد که مدل‌های محاسباتی می‌توانند میلیون‌ها ترکیب نظری مواد را به چند گزینه امیدوارکننده محدود کنند. اکنون پژوهشگران از همان الگوریتم‌ها برای شناسایی ساختارهای اتمی پایدار و به‌شدت مغناطیسی استفاده می‌کنند. با وجود سرعت بالا، سامانه هوش مصنوعی نمی‌تواند به‌تنهایی یک محصول نهایی را اعتبارسنجی کند. مدل‌های رایانه‌ای فرمول‌های پیشنهادی را ارائه می‌دهند، اما دانشمندان همچنان باید این فلزات را به‌صورت فیزیکی حرارت دهند، شکل‌دهی کنند و مورد آزمایش قرار دهند.
آزمایشگاه ایمز طی سال‌های گذشته، فرمول‌های جایگزینی را با میزان کمتر عناصر نادر خاکی بررسی کرده است. یکی از طرح‌های امیدوارکننده، منگنز و بیسموت را با یک پوشش پلیمری ویژه ترکیب می‌کند تا پایداری بلورهای مغناطیسی حفظ شود. آزمایشگاه ایمز همچنین در پروژه ای‌آی‌ام-ام‌ای‌جی ( AIM-MAG) با مؤسسه پلی‌تکنیک رنسلیر همکاری دارد. این طرح با استفاده از داده‌های آزمایشی و تحلیل‌های تولید، به دنبال کاهش وابستگی به عناصر نادر خاکی سنگین در آهن‌رباهای نئودیمیومی موجود است.
با وجود آنکه این پروژه‌ها پیشرفت فنی مهمی محسوب می‌شوند ولی همچنان هیچ‌یک تاکنون نتوانسته‌اند آهن‌رباهای نئودیمیوم-آهن-بور را در موتورهای تجاری با عملکرد بالا به‌طور کامل جایگزین کنند. عبور از نمونه‌های آزمایشگاهی به تولید کارخانه‌ای در مقیاس کامل، همچنان یک چالش مهندسی بزرگ است.
ایالات متحده در سال‌های اخیر حدود ۵۶ هزار تن اکسید عناصر نادر خاکی استخراج کرده است که بخش عمده آن از معدن مونتین پس (Mountain Pass) در کالیفرنیا تامین می‌شود؛ با این حال، ظرفیت تاسیسات فرآوری داخلی محدود است و شرکت‌ها ناچارند سنگ معدن خام را برای پالایش به خارج از کشور صادر کنند.
براساس گزارش سازمان زمین‌شناسی ایالات متحده (USGS)، چین بین سال‌های ۲۰۲۱ و ۲۰۲۴ بیش از ۷۰ درصد واردات عناصر نادر خاکی آمریکا را تامین کرده است. استخراج سنگ معدن خام تنها نخستین مرحله از زنجیره‌ای پیچیده و چندمرحله‌ای برای تولید این مواد است. وزارت دفاع آمریکا در حال تامین مالی کارخانه‌های جداسازی، پالایشگاه‌های فلز و کارخانه‌های تولید آهن‌ربا در داخل کشور است تا یک زنجیره تامین کامل ایجاد شود. تا زمانی که این تاسیسات به ظرفیت عملیاتی گسترده نرسند، تولیدکنندگان آمریکایی همچنان در برابر اختلال‌های تجارت بین‌المللی آسیب‌پذیر خواهند بود.
توسعه یک آهن‌ربای کارآمد و بدون عناصر نادر خاکی می‌تواند امنیت ملی آمریکا را تقویت و هزینه تولید تجهیزات انرژی‌های تجدیدپذیر را کاهش دهد. با این حال، غربالگری مواد با هوش مصنوعی تنها مرحله آغازین یک چرخه توسعه چندساله است. هر فلز جایگزین باید در برابر دمای بالای عملیاتی مقاومت کند، در برابر مغناطیس‌زدایی پایدار بماند و قابلیت تولید انبوه صنعتی داشته باشد. جایگزین کردن عناصر نادر خاکی با فلزات کمیاب دیگری مانند کبالت نیز صرفاً مشکل زنجیره تامین را به بخش دیگری منتقل خواهد کرد. ارزش واقعی فرایند هوش مصنوعی آزمایشگاه ایمز به نتایج آزمایش‌های فیزیکی وابسته است. مواد مصنوعی پیشنهادی باید در عمل ثابت کنند که می‌توانند عملکرد مطلوب را با قیمتی ارائه دهند که بازارهای جهانی توان پرداخت آن را داشته باشند.
منبع: فلزات آنلاین
دیدگاهتان را بنویسید