Kupowaliście ostatnio magnesy neodymowe? To uważajcie, bo możliwe, że wkrótce będą historią – i to nie tylko dla samego neodymu, ale także dla samaru i innych rzadkich pierwiastków.
Brzmi nieprawdopodobnie? A jednak, naukowcy coraz śmielej rozważają świat bez tych cennych surowców, a sztuczna inteligencja – tak, znowu AI! – ma w tym swój spory udział. Co więcej, nie jest to wyłącznie futurystyczna wizja, ale realne badania prowadzone już dziś m.in. w Instytucie Fizyki Molekularnej PAN w Poznaniu.
Cała sprawa wpisuje się też w trend, który został doceniony Nagrodą Nobla w 2024 roku. John J. Hopfield i Geoffrey E. Hinton zostali wyróżnieni za swoje prace nad sieciami neuronowymi – dokładnie tymi, które dziś są wykorzystywane do przewidywania nowych materiałów magnetycznych. Innymi słowy: AI nie tylko generuje obrazy i pisze teksty, ale też projektuje przyszłość przemysłu.
No dobrze, ale właściwie dlaczego ktoś miałby rezygnować z neodymu? I co może go zastąpić? Przyjrzyjmy się sprawie bliżej.
Neodym i samar – krótka historia magnetycznej potęgi
Choć brzmią jak nazwy postaci z kiepskiego sci-fi, neodym i samar to pierwiastki, bez których współczesna technologia wyglądałaby zupełnie inaczej. Obydwa należą do tzw. pierwiastków ziem rzadkich, choć wcale nie są aż tak rzadkie – problemem jest ich wydobycie i obróbka.
Największym skarbem w tej kategorii są magnesy neodymowe (NdFeB), wynalezione w latach 80. i obecnie uważane za najsilniejsze magnesy trwałe na świecie. Dodatek samaru pozwala zwiększyć ich odporność na wysokie temperatury, co jest kluczowe np. w silnikach elektrycznych.
Dlaczego są tak cenne? Bo mają stosunek mocy do wielkości, którego nie przebija żaden inny materiał magnetyczny. To dzięki nim mamy:
- Turbiny wiatrowe, które kręcą się wydajniej.
- Silniki elektryczne – w autach Tesli, a także w standardowych hybrydach.
- Głośniki i słuchawki – małe, ale mocne.
- Dyski twarde – wciąż używane w centrach danych.
- MRI – czyli rezonans magnetyczny.
- …oraz, oczywiście, magnesy do wyławiania staroci z jezior i rzek.
Jeśli kiedykolwiek wpadliście na pomysł, by zanurzyć magnes neodymowy w wodzie w poszukiwaniu „skarbów”, to już wiecie, dlaczego to działa.
Ale jest problem…
Neodym i samar są nie tylko cenne, ale i problematyczne. Po pierwsze, większość światowych zasobów kontrolują Chiny – to stamtąd pochodzi aż 80% tych pierwiastków. Po drugie, ich wydobycie i obróbka są piekielnie toksyczne, generując radioaktywne odpady. Po trzecie, zapotrzebowanie na magnesy trwałe rośnie szybciej, niż możemy je produkować.
Co więcej, rywalizacja o zasoby pierwiastków ziem rzadkich staje się kwestią geopolityczną, a ostatnie wydarzenia tylko podgrzewają atmosferę. USA i Ukraina weszły w spór dotyczący dostępu do złóż neodymu i samaru, które znajdują się na terytorium kontrolowanym przez Kijów. Ukraina, posiadająca jedne z największych rezerw tych pierwiastków w Europie, stała się obiektem zainteresowania Waszyngtonu, który dąży do zmniejszenia zależności od Chin. Amerykanie naciskają na zwiększenie eksportu tych surowców na preferencyjnych warunkach, ale Kijów nie jest skłonny oddać swojego „skarbu” bez odpowiednich zabezpieczeń gospodarczych i politycznych.
Tymczasem na horyzoncie czai się jeszcze większy gracz – Rosja. Kreml od dawna rości sobie prawa do terenów, na których znajdują się cenne złoża, zwłaszcza w Donbasie i na wschodzie Ukrainy. Jeśli Rosja przejmie kontrolę nad tymi obszarami, może zdobyć przewagę w dostawach strategicznych surowców, a to jeszcze bardziej wzmocni jej pozycję w globalnym wyścigu o pierwiastki ziem rzadkich.
To oznacza jedno: magnesy trwałe, choć niewielkie, mogą stać się narzędziem politycznej gry. Już teraz Chiny wykorzystują swój monopol, ograniczając eksport do niektórych krajów, a potencjalne konflikty o nowe złoża mogą jeszcze bardziej skomplikować globalną sytuację.
Jeśli świat chce przejść na zieloną energię, elektryczne samochody i turbiny wiatrowe, to nie może sobie pozwolić na uzależnienie od niestabilnych dostaw surowców. Stąd pytanie: czy da się zrobić równie mocne magnesy… bez neodymu i samaru?
AI do zadań specjalnych – prace Hopfielda i Hintona
W tym miejscu na scenę wkracza sztuczna inteligencja. John J. Hopfield i Geoffrey E. Hinton, laureaci Nagrody Nobla w 2024 roku, od lat pracowali nad sieciami neuronowymi – systemami inspirowanymi sposobem, w jaki działa ludzki mózg.
John J. Hopfield, fizyk teoretyczny z Uniwersytetu Princeton, w 1982 roku przedstawił model tzw. pamięci asocjacyjnej. Jego sieć neuronowa, znana dziś jako sieć Hopfielda, potrafiła przechowywać i odtwarzać wzorce, takie jak obrazy czy sekwencje danych, nawet jeśli były one częściowo uszkodzone lub niekompletne. To odkrycie pokazało, że sztuczne sieci mogą działać na zasadzie skojarzeń, podobnie jak ludzki mózg.
Geoffrey E. Hinton, pracujący na Uniwersytecie w Toronto, poszedł krok dalej. W latach 80. XX wieku opracował tzw. maszynę Boltzmanna – rodzaj stochastycznej sieci neuronowej zdolnej do samodzielnego uczenia się i rozpoznawania złożonych wzorców w danych. Maszyna Boltzmanna potrafiła identyfikować ukryte cechy w zbiorach danych, co umożliwiało wykonywanie zadań takich jak klasyfikacja obrazów czy analiza języka naturalnego.
Dzięki ich pionierskim pracom, sztuczne sieci neuronowe stały się fundamentem współczesnego uczenia maszynowego. Obecnie AI potrafi analizować miliony kombinacji pierwiastków, szukając takich składów, które mogą zastąpić neodym i samar w magnesach trwałych. Takie podejście pozwala:
- Sprawdzić setki tysięcy potencjalnych stopów bez potrzeby ich fizycznej syntezy.
- Oszczędzić czas i koszty – zamiast eksperymentować na oślep, AI wskazuje najbardziej obiecujące kandydatury.
- Odkryć materiały o lepszych właściwościach niż obecnie stosowane magnesy.
Prace Hopfielda i Hintona nie tylko zrewolucjonizowały dziedzinę sztucznej inteligencji, ale także otworzyły nowe możliwości w poszukiwaniu innowacyjnych materiałów, które mogą mieć kluczowe znaczenie dla przemysłu i technologii przyszłości.
Dla zainteresowanych głębszym zrozumieniem ich osiągnięć, poniżej dostępne są wykłady noblowskie obu laureatów:
Polska w czołówce – projekt Mirosława Werwińskiego
Na tej samej fali co laureaci Nagrody Nobla płynie polski naukowiec, dr hab. Mirosław Werwiński, profesor Instytutu Fizyki Molekularnej Polskiej Akademii Nauk (IFM PAN) w Poznaniu. Kieruje on projektem mającym na celu poszukiwanie nowych magnesów trwałych niezawierających ciężkich pierwiastków ziem rzadkich – to badania, które mogą mieć kluczowe znaczenie dla przyszłości elektromobilności, energetyki odnawialnej i całego przemysłu technologicznego.
W ramach tego przedsięwzięcia, zespół prof. Werwińskiego współpracuje z Wydziałem Fizyki i Astronomii Uniwersytetu w Uppsali w Szwecji. Ta międzynarodowa kooperacja łączy ekspertów z różnych dziedzin, umożliwiając wymianę wiedzy i doświadczeń w zakresie fizyki ciała stałego oraz inżynierii materiałowej.
Jak to robią?
🔹 AI na superkomputerach – Wykorzystując algorytmy uczenia maszynowego, naukowcy analizują obszerne bazy danych dotyczące właściwości magnetycznych różnych materiałów. Często, gdy mówimy o badaniach nad nowymi materiałami, wyobrażamy sobie naukowców, którzy w laboratoriach mieszają pierwiastki niczym alchemicy w poszukiwaniu złota. Jednak w rzeczywistości to nie kolby i probówki, a algorytmy sztucznej inteligencji wykonują dziś najbardziej zaawansowaną pracę. I to nie byle jaką – AI nie tylko sprawdza, które pierwiastki mogą stworzyć dobry magnes, ale analizuje również fizykę oddziaływań na poziomie atomowym. Oznacza to, że zanim jakikolwiek nowy stop zostanie zsyntetyzowany w rzeczywistości, jego właściwości są już dokładnie przewidziane przez superkomputery.
Nie chodzi tylko o samą siłę magnetyczną – to byłoby zbyt proste. Naukowcy badają, czy nowy materiał wytrzyma wysokie temperatury, czy jego struktura krystaliczna będzie stabilna, czy atomy ułożą się w sposób sprzyjający trwałemu magnetyzmowi. AI analizuje też, czy dany stop nie rozpadnie się po kilku latach użytkowania, a nawet przewiduje, czy można go będzie wyprodukować na skalę przemysłową bez szkody dla środowiska. To wszystko przypomina wielką szachownicę, na której algorytmy przewidują każdy możliwy ruch – jakie elektrony „dogadają się” ze sobą, jakie wiązania chemiczne będą trwałe, a jakie rozpadną się przy pierwszym lepszym podgrzaniu.
Dzięki temu zamiast lat testowania losowych próbek w laboratorium, naukowcy od razu dostają gotowe propozycje materiałów, które mają największe szanse stać się godnymi następcami magnesów neodymowych. I choć można się zastanawiać, czy w tej nowoczesnej alchemii jest jeszcze miejsce dla ludzkiej intuicji, to jedno jest pewne – fizyka nie lubi zgadywania, a AI właśnie zaczyna wkraczać na jej terytorium z bardzo konkretnymi odpowiedziami.
🔹 Obliczenia kwantowo-mechaniczne – Zanim przystąpią do syntezy nowych materiałów, badacze przeprowadzają symulacje komputerowe na poziomie atomowym. Pozwala to na zrozumienie, jak zmiany w składzie chemicznym wpływają na strukturę elektronową i właściwości magnetyczne stopów.
🔹 Testy laboratoryjne – Najbardziej obiecujące materiały są następnie wytwarzane i poddawane szczegółowym badaniom eksperymentalnym. Proces ten obejmuje ocenę parametrów takich jak namagnesowanie, energia anizotropii magnetokrystalicznej oraz stabilność termiczna.
🔹 Współpraca międzynarodowa i infrastruktura – Realizacja projektu jest możliwa dzięki wsparciu infrastrukturalnemu Poznańskiego Centrum Superkomputerowo-Sieciowego (PCSS), które zapewnia niezbędną moc obliczeniową do przeprowadzania skomplikowanych symulacji. Dodatkowo, współpraca z Uniwersytetem w Uppsali umożliwia dostęp do zaawansowanych metod badawczych i technologii, co przyspiesza proces odkrywania i wdrażania nowych materiałów.
Co z tego wyniknie?
Choć prace wciąż trwają, wyniki mogą oznaczać rewolucję w przemyśle. Stworzenie nowych, równie silnych magnesów trwałych bez neodymu i samaru zmieniłoby reguły gry na wielu frontach – od motoryzacji po globalną geopolitykę surowcową.
Co się stanie, jeśli badania zakończą się sukcesem?
- Samochody elektryczne staną się tańsze i bardziej ekologiczne
Obecnie produkcja silników elektrycznych wymaga ogromnych ilości pierwiastków ziem rzadkich, co przekłada się na wysokie koszty produkcji. Jeśli uda się opracować nowe magnesy, cena aut elektrycznych może spaść, a produkcja stanie się mniej zależna od ograniczonych surowców. - Turbiny wiatrowe staną się jeszcze bardziej efektywne
Energetyka odnawialna, szczególnie wiatraki, bazuje na magnesach neodymowych, które pozwalają na konstruowanie wydajnych generatorów. Nowe materiały mogłyby zwiększyć wydajność i obniżyć koszty, a co za tym idzie – przyspieszyć transformację energetyczną. - Przemysł elektroniczny zyska alternatywę
Magnesy trwałe są stosowane nie tylko w samochodach czy turbinach, ale też w sprzęcie AGD, komputerach, słuchawkach i smartfonach. Bezpieczna, stabilna alternatywa dla neodymu oznaczałaby niższe koszty produkcji i mniejsze uzależnienie od monopolistów. - Koniec zależności od Chin
Obecnie Chiny kontrolują około 80% światowego rynku pierwiastków ziem rzadkich, a co za tym idzie – dyktują ceny. Każdy konflikt geopolityczny czy zmiana polityki eksportowej może oznaczać gwałtowny wzrost kosztów. Jeśli uda się znaleźć alternatywny materiał, świat stanie się mniej podatny na szantaż surowcowy. - Mniejsze obciążenie dla środowiska
Wydobycie pierwiastków ziem rzadkich jest katastrofalne dla środowiska – towarzyszy mu produkcja toksycznych odpadów i radioaktywnych substancji, które skażają glebę i wodę. Nowe magnesy pozwoliłyby zmniejszyć ślad ekologiczny przemysłu high-tech i elektromobilności.
A jeśli się nie uda?
Jeśli badania nie przyniosą oczekiwanych rezultatów, świat będzie musiał zmierzyć się z kilkoma wyzwaniami:
- Ceny neodymu i samaru mogą wystrzelić w kosmos
Zapotrzebowanie na magnesy trwałe rośnie w zawrotnym tempie, a wydobycie nie nadąża za popytem. To oznacza, że ceny pierwiastków ziem rzadkich mogą stać się zaporowe – zwłaszcza jeśli Chiny zdecydują się ograniczyć eksport. - Trzeba będzie szukać nowych złóż
Jeśli nie znajdziemy alternatywy, jedynym wyjściem może być otwieranie nowych kopalni – co niesie za sobą olbrzymie konsekwencje ekologiczne i polityczne. Rezerwy neodymu i samaru istnieją m.in. na Ukrainie, w Rosji i w Afryce, co może zaostrzyć konflikty geopolityczne. - Technologie „zielonej rewolucji” mogą zwolnić
Jeśli magnesy trwałe pozostaną drogie i trudne do zdobycia, może to wpłynąć na rozwój elektromobilności, energetyki odnawialnej i elektroniki. Mniejsza dostępność kluczowych surowców oznacza wolniejszy rozwój technologii, na których opieramy przyszłość.
Sztuczna inteligencja projektuje przyszłość
Jeszcze kilka lat temu AI kojarzyła się głównie z generowaniem tekstów i obrazków. Dziś sztuczna inteligencja nie tylko analizuje dane i przewiduje trendy, ale też aktywnie uczestniczy w odkrywaniu nowych materiałów, które mogą zmienić gospodarkę, przemysł i naukę.
Projekt prof. Werwińskiego to przykład na to, jak interdyscyplinarne podejście – łączące fizykę, chemię, informatykę i inżynierię – może prowadzić do rewolucyjnych odkryć. Czy uda się znaleźć nową generację magnesów? Tego jeszcze nie wiemy. Ale jedno jest pewne – sztuczna inteligencja i nauka jeszcze nieraz nas zaskoczą. Wielkie gratulacje dla profesora Werwińskiego i jego zespołu – to właśnie takie badania sprawiają, że polska nauka może wyznaczać nowe kierunki w globalnym wyścigu technologicznym. Aż chciałoby się wrócić na uczelnię i uczyć od takich mistrzów!
A teraz smutna refleksja: czy ktoś w Polsce to zauważa?
To badania o ogromnym potencjale przemysłowym, które mogą nie tylko uniezależnić polską i europejską gospodarkę od chińskich dostawców pierwiastków ziem rzadkich, ale także stworzyć nową generację ekologicznych i wydajnych technologii magnetycznych. Wydawałoby się, że jest to temat, w który biznes i rząd powinny zainwestować wszystkie możliwe środki.
A jak jest w rzeczywistości?
🔹 Brak systemowego wsparcia – O ile same instytuty badawcze i zespoły naukowe radzą sobie dobrze na arenie międzynarodowej, o tyle wciąż brakuje skutecznych mechanizmów łączenia nauki z przemysłem. Czy rząd powinien stworzyć specjalne programy grantowe, które finansowałyby takie badania w dłuższej perspektywie? Zdecydowanie tak.
🔹 Patentowe bezpieczeństwo – Jeśli uda się opracować nową generację magnesów trwałych, kto na tym skorzysta? Czy Polska zapewnia wystarczające wsparcie patentowe i ochronę intelektualną dla swoich naukowców? Przykłady z przeszłości pokazują, że innowacje często lądują w rękach zagranicznych korporacji, które wiedzą, jak je skomercjalizować.
🔹 Brak promocji i zainteresowania biznesu – Gdyby to były badania nad aplikacjami w telefonach, pewnie już dawno znalazłby się inwestor. Ale przemysł wysokich technologii w Polsce wciąż nie traktuje poważnie projektów długoterminowych, które wymagają lat badań, ale mogą przynieść gigantyczne korzyści.
To właśnie tutaj powinien wkroczyć rząd i zapewnić stabilne finansowanie oraz wsparcie dla ochrony własności intelektualnej. Jeśli w porę tego nie zrobimy, za kilka lat usłyszymy, że japońska lub amerykańska firma „przypadkiem” odkryła nową generację magnesów – opartych na wynikach badań, które rozpoczęły się w Polsce.
Może zamiast kolejnych strategii i deklaracji potrzebujemy realnych konglomeratów naukowych – sieci centrów badawczych na uniwersytetach, połączonych ze światem biznesu, ale funkcjonujących pod auspicjami państwa? To rozwiązanie, które w wielu krajach działa od lat – w Niemczech instytuty Fraunhofera, w Stanach Zjednoczonych współpraca rządu, wojska i prywatnych firm, a w Japonii narodowe konsorcja technologiczne. W Polsce zamiast tego wciąż pokutuje przekonanie, że nauka i przemysł to dwa osobne światy.
Dlaczego nie stworzyć systemu ulg podatkowych dla firm finansujących badania naukowe? Oczywiście, nie bezmyślnie – ale z odpowiednimi obwarowaniami, które gwarantowałyby pierwszeństwo dla sponsorujących podmiotów w korzystaniu z nowo opracowanej technologii. To nie byłaby jałmużna dla biznesu, ale model obopólnych korzyści – nauka zyskałaby środki na rozwój, a przedsiębiorstwa dostęp do przełomowych rozwiązań, zanim trafią one na globalny rynek.
Bez takich mechanizmów nadal będziemy oglądać sytuacje, w których polscy naukowcy dokonują odkryć, ale to zagraniczne korporacje zbierają owoce ich pracy. Czy naprawdę możemy sobie na to pozwolić?
Czy możemy coś z tym zrobić? Tak. Ale wymaga to świadomości, inwestycji i konsekwencji – czego niestety często u nas brakuje.
Do następnego artykułu
Aleksander Marcin Sanetra