En un área industrial de Minneapolis, una nueva empresa nueva está trabajando en un proceso para crear imanes permanentes sin materiales de tierras raras. En su planta piloto, los trabajadores toman hierro en forma de polvo y burbujean nitrógeno a través de él para crear nitruro de hierro, un material extremadamente magnético.
Suena simple, tanto el hierro como el nitrógeno están fácilmente disponibles y son económicos, pero el nitruro de hierro es voluble y difícil de producir.
Durante casi una década, Niron, cuya tecnología se basa en investigaciones de la Universidad de Minnesota, ha estado desarrollando un proceso para el que tiene 56 patentes y otras 21 en trámite. La necesidad de una alternativa de tierras raras es enorme en un momento en que la demanda de imanes permanentes se utilizan en todo, desde vehículos eléctricos hasta turbinas eólicas y productos electrónicos de consumo.
Además de que la demanda supera con creces la oferta se depende de materiales de China. Históricamente, las alternativas de tierras raras no lograron ser tan poderosas como los imanes permanentes que esperan reemplazar, pero Niron dice que sus imanes de nitruro de hierro ya pueden hacer el trabajo en muchos casos y continúa mejorando la tecnología.
La propuesta de Niron ya recaudó más de US$ 100 millones, incluidos US$ 60 millones de inversionistas y otros US$ 42 millones del gobierno federal, con planes para recaudar fondos adicionales. Hoy, la planta piloto produce solo 100 kilos de imanes y la empresa genera ingresos mínimos. Pero ya comenzó a buscar ubicaciones para una instalación de producción a gran escala, que costaría cientos de millones de dólares, y espera abrir en los próximos tres o cuatro años. “Tenemos una solución a la crisis de las tierras raras”, dice el CEO de Niron, Jonathan Rowntree.
Si bien son poco conocidos para la mayoría de los consumidores, los imanes permanentes impulsan nuestra vida moderna. Entran en motores y generadores que permiten que la electricidad se transforme en movimiento y el movimiento en electricidad.
Los imanes permanentes hechos con materiales de tierras raras son un elemento clave de los esfuerzos del país para descarbonizar con vehículos eléctricos y turbinas eólicas. Debido a su mayor rendimiento, que posibilita motores más pequeños y potentes que las alternativas, su uso se extendió y sigue aumentando. Se espera que la demanda global de imanes de tierras raras aumente en un 7,5 % compuesto anualmente hasta 2040, según la consultora Adamas Intelligence.
El problema es que la demanda crece tan rápido que no hay suficiente oferta para satisfacerla. Lo que es más preocupante, la gran mayoría de estos imanes provienen de China, que, según se informa, ha estado considerando prohibir las exportaciones de alguna tecnología de imanes de tierras raras luego de las restricciones de Washington sobre los semiconductores.
En febrero, un informe del Departamento de Comercio de Estados Unidos concluyó que el nivel actual de importaciones de imanes de tierras raras “amenazaba con perjudicar la seguridad nacional”. Sus recomendaciones incluían un crédito fiscal para la fabricación nacional y la inversión continua a través de la Ley de Producción de Defensa. En abril, los representantes Guy Reschenthaler (republicano) y Eric Swalwell (demócrata) presentaron un proyecto de ley bipartidista para apoyar la fabricación nacional de imanes de tierras raras con exenciones fiscales.
Varias empresas estadounidenses están trabajando para llenar el vacío. Noveon está construyendo una fábrica en Texas que puede reciclar imanes viejos . MP Materials, una empresa de 3900 millones de dólares (por capitalización de mercado) y posee una importante instalación de extracción y procesamiento de tierras raras en Mountain Pass, California, está construyendo una instalación en Fort Worth, Texas . Tendrá una capacidad de 1.000 toneladas de imanes terminados y un acuerdo a largo plazo para suministrar a General Motors. Otras dos empresas con sede en EE. UU., Quadrant Magnets y USA Rare Earth, así como la empresa alemana Vacuumschmelze, tienen planes de establecer instalaciones de fabricación de imanes en EE. UU. para 2026.
Niron argumenta que dada la creciente demanda, así como las consecuencias ambientales de la extracción y el procesamiento de tierras raras, se necesita nueva tecnología para llenar el vacío. “No va a ser suficiente, y nunca será suficiente”, dice Andy Blackburn, vicepresidente ejecutivo de estrategia de Niron y ex director ejecutivo. “No hay suficientes depósitos y no puedes reciclar para satisfacer la demanda. Los chinos nos han hecho un gran favor, no es que esa fuera su intención”.
La tecnología del hierro se basa en una investigación desarrollada por el profesor Jian-Ping Wang de la Universidad de Minnesota, quien pasó la mayor parte de su vida estudiando imanes. “Me sorprendió el misterio de los materiales magnéticos”, dice Wang.
El nitruro de hierro, el material que utiliza Niron para sus imanes sin tierras raras, se descubrió en la década de 1950. Muchos investigadores trataron de entenderlo, recuerda Wang, de 56 años, quien nació en China. Cientos de artículos se publicaron durante la década de 1990, pero después de que los esfuerzos para explicar las propiedades del material y los experimentos resultaron difíciles de reproducir, el interés disminuyó, dice. Cuando se unió a la Universidad de Minnesota en 2002, dice, el tema ya no estaba de moda.
“Penseé: Necesito trabajar en esto, necesito explicar esto, de lo contrario, nadie en la industria intervendrá porque siente que es controvertido'”, recuerda Wang. Durante media docena de años, Wang se dedicó al estudio profundo del tema junto con un estudiante, haciendo investigación básica y sin publicar nada. “Sabía que era un tema controvertido y que ya fue debatido, así que necesitaba asegurame de que todo estuviera bien. La parte más importante era:, '¿Tienes una teoría para explicarlo?' Si no puedes explicarlo, no puedes ir más allá y crear nuevas composiciones”, asegura Wang.
En 2010, después de siete años de investigación y ayuda con las pruebas de Los Álamos y otros laboratorios nacionales, Wang hizo una presentación en la reunión anual de la Sociedad Estadounidense de Física. Se corrió la voz rápidamente, y pronto Wang estaba respondiendo solicitudes de entrevistas para hablar sobre su trabajo. “Nunca pensé que llegaría tan lejos. Quería responder a la pregunta de por qué la gente no podía volver a hacer este material y por qué la gente no podía explicar este material y su rendimiento usando libros de texto de la teoría existente. Eso fue lo que me impulsó durante seis, siete años, y luego obtuve una respuesta y me sentí muy feliz por eso”, se enorgullece Wang.
Entre las llamadas posteriores a la presentación, en 2010, estaba una de un director de programa de la división de investigación ARPA-E del Departamento de Energía, que quería saber si el nitruro de hierro podía usarse para fabricar imanes permanentes. Un año después, Wang recibió una subvención de 4,5 millones de dólares de la agencia. En el laboratorio de su universidad, exploró múltiples formas de fabricar imanes con nitruro de hierro, incluido el que ahora usa Niron para la producción.
En 2014, la empresa se separó de la Universidad de Minnesota con una inversión inicial de Artiman Ventures. Wang, que ingresó en la Academia Nacional de Inventores, fue el primer director de tecnología de la empresa; permanece en la junta directiva y es el director científico en la actualidad. Más recientemente, Niron firmó con Volvo y el fabricante de unidades de discos rígidos Western Digital, los cuales tienen grandes necesidades de imanes permanentes, como inversores estratégicos. “Este es un gran esfuerzo para crear una nueva receta”, dice David Michael, socio gerente de Anzu Partners, que invirtió en 2016.
Si bien las alternativas a los imanes de tierras raras generalmente mostraron un rendimiento reducido, Niron dice que el nitruro de hierro tiene una mayor fuerza magnética y la ventaja de mantener el rendimiento a temperaturas más altas. Pero la compañía todavía está trabajando para llevar la tecnología a su máximo potencial. Rowntree, CEO de Niron, comenta que si bien sus imanes actuales funcionarán para ciertas aplicaciones, como altavoces, los investigadores podrían tardar otros 18 meses en aumentar su rendimiento al nivel requerido para las aplicaciones de motores.
“Es un material difícil de fabricar”, dice Blackburn, vicepresidente de estrategia de Niron. “Es literalmente hierro y nitrógeno en una estructura cristalina particular que es altamente magnética. Todo el mundo sabía que era muy magnético, pero nadie podía hacerlo con una gran pureza. Esa es la nuez que podríamos romper”.
A principios de 2021, Tymphany, que fabrica sistemas de audio para automóviles, encontró un artículo que Wang había publicado en el Journal of Magnetism and Magnetic Materials. La compañía estaba interesada en imanes permanentes que funcionaran sin tierras raras, especialmente para reemplazar aquellos que eran caros y estaban sujetos a precios de gran volatilidad, Chris von Hellerman, vicepresidente de tecnología acústica de Tymphany, le dijo a Forbes por correo electrónico . El disprosio, una tierra rara pesada que a menudo se agrega a los imanes permanentes para aumentar su rendimiento, especialmente a altas temperaturas, es particularmente costoso.
Hoy, Tymphany está realizando pruebas en los imanes de Niron, un paso clave para llevarlos a la producción comercial. Hellerman dice que ve potencial en los imanes de Niron para cerrar la brecha entre los imanes de tierras raras y los imanes de ferrita, que están ampliamente disponibles pero son menos potentes. “Vemos indicios de que la hoja de ruta de materiales magnéticos de Niron podría interrumpir el suministro de imanes de tierras raras y ayudar a proporcionar alternativas al suministro existente de imanes de tierras raras en China”, afirma Hellerman.
Misco Speakers, un fabricante de altavoces personalizados con sede en St. Paul, Minnesota, que se utilizan en aviones comerciales, dispositivos médicos y otros productos, también descubrió Niron hace unos años y fue a visitar la fábrica con un equipo de ingenieros. Los altavoces usan muchos grados de imanes, y el presidente Dan Digre dice que espera que los imanes de Niron reemplacen primero a los de menor grado, pero con el tiempo espera cambiar todas las tierras raras. Eso no solo le daría a la empresa familiar un suministro seguro de imanes a un precio estable, dice, sino que también le ofrecería una ventaja en el uso y la comercialización de tecnología magnética limpia. “El producto Niron podría cambiar las reglas del juego para nuestra industria”, asegura Digre.
Unas dos docenas de otros socios en áreas que incluyen la automoción, la electrónica de consumo y las herramientas eléctricas están trabajando en muestras de preproducción de los imanes de Niron. Ya recibieron llamadas de docenas de fabricantes interesados en obtener más información o hablar sobre acuerdos de colaboración. “Literalmente, creo que hemos recibido entre 150 y 200 solicitudes entrantes sin marketing. Estamos escogiendo y eligiendo con quién estamos trabajando”, revela Blackburn.
En enero, Rowntree, de 52 años, ex ejecutivo de Henkel and Rogers Corp., asumió el cargo de director ejecutivo que tenía Blackburn, de 64 años, para expandir la empresa. Rowntree, ingeniero químico de formación, pasó casi 30 años construyendo plantas y escalando operaciones en materiales electrónicos. Desde que se unió Niron ha logrado un "progreso tremendo", dice Blackburn, al prepararse para escalar, al mismo tiempo que redujo sus costos de capital para "reducir significativamente" su punto de equilibrio.
La producción actual de la planta piloto es pequeña, pero Niron tiene una hoja de ruta ambiciosa. “Nuestra meta es llegar a los 1.000 kilos a fines de este año o principios del próximo, a los 10.000 kilos a fines del próximo año y a los 100.000 kilos el año siguiente”, asegura Rowntree. La compañía ahora está comenzando su proceso de selección del sitio para la planta comercial que podría producir hasta 10 millones de kilogramos de imanes al año, con los incentivos económicos estatales como un factor importante, con el objetivo de comenzar la construcción en 2025 y completar la construcción entre los 18 meses a dos años.
En marzo, Tesla anunció que su próxima generación de vehículos eléctricos no contendría materiales de tierras raras, un movimiento de alto perfil que, según Rowntree, provocó un aumento en el interés entrante.
La pregunta es si Niron podrá expandirse más allá de la etapa piloto, una empresa extraordinariamente intensiva en capital y tecnológicamente compleja. Rowntree dice que Niron buscará inversiones de capital privado, así como financiamiento adicional del gobierno, para construir su planta. Su objetivo final es construir fábricas de imanes en América del Norte, Europa y el Sudeste Asiático.
“Estamos en este punto de inflexión de escalamiento y estamos en el punto de inflexión de dónde está la tecnología y hay vientos de cola que nos están ayudando geopolíticamente. Está la parte ambiental y está la parte geopolítica si China decide cerrar el grifo de las tierras raras. Hay un alto sentido de urgencia para resolver esto”, concluye Rowntree.
