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西門子的材料研究人員始終在尋找新的物質(zhì)，以期藉以助力降低產(chǎn)品能耗。與此同時，他們也在探索能夠盡量以一種可持續(xù)方式應(yīng)用和回收原材料的途徑。而新材料及早申請也是關(guān)鍵之舉。

西門子的材料研究人員正在上演緊鑼密鼓的尋寶之旅。他們知道只要找到少數(shù)一些元素，便足以敲開別有一番洞天的組合材料之門。不過他們也深諳速度是頭等要旨。礦材資源有限，競爭對手們?nèi)盒壑鹇?，都有風(fēng)馳電掣之勢。“誰的動作最快，誰就能拿到。”慕尼黑西門子中央研究院的Raquel de la Peña Alonso博士如是道。她負(fù)責(zé)管理該研究院的“高通量實驗”（HTE）實驗室。

在實驗室中，機器人按照精確的比例來用料，生產(chǎn)出眾多樣品。然后由專門的程序?qū)悠愤M行分析，從而測量出它們的具體屬性，諸如熔點或?qū)щ娦?。由于同時可以進行120份樣品的檢測，這一過程比要由人工制成每份物質(zhì)的方式提速20倍左右。此方案節(jié)約了時間、成本、人力和材料。

強大的照明。HTE實驗室正在開發(fā)新型磷光體，譬如白色發(fā)光二極管（LED）中應(yīng)用的材料。在LED中，藍色發(fā)光芯片刺激表層的磷光體，從而產(chǎn)生白光。磷光體的發(fā)光強度和顏色取決于其成分和晶體結(jié)構(gòu)。de la Peña Alonso目前正與西門子子公司歐司朗合作，尋求開發(fā)出新的磷光體，這些磷光體將更為高效，并且能夠產(chǎn)生可以填補當(dāng)前空白的顏色。在種種進展中，她和她的團隊已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種新磷光體，其發(fā)出的光比其他材料的光更紅。白色LED需要結(jié)合紅光成分，才能發(fā)出溫和的光線。de la Peña Alonso的努力結(jié)出了果實，歐司朗在眼下競爭激烈的LED市場中又多了幾項在手，得益于這些成果，發(fā)光二極管所需的磷光體數(shù)量亦得以減少。

磷光體中還包含諸如銪元素等稀土元素。隨著LED越來越多地應(yīng)用于日常照明中，這些材料將來可能會成為緊俏之物。鑒于這一考慮，西門子中央研究院啟動了一項研究計劃，該計劃旨在為此類材料的可持續(xù)利用開發(fā)相應(yīng)策略。該計劃探索的重要課題包括含有稀土元素釹和鏑的永磁體。這些元素在多種領(lǐng)域中均有應(yīng)用，風(fēng)力渦輪機和電動機便是兩例，在這些領(lǐng)域內(nèi)，迅速的增長往往會帶來供應(yīng)端的瓶頸。正是出于上述考慮，在Thomas Scheiter博士的帶領(lǐng)下，西門子中央研究院的“可持續(xù)材料”研究計劃正在努力探索新的回收利用技術(shù)，研究不需要使用稀土元素的磁體，同時尋找能夠評估產(chǎn)品的生產(chǎn)是否已經(jīng)達到原材料用量最小化的方法。

與此同時，西門子目前還管理著由德國科教部（BMBF）資助的一個項目。在這個名為MORE的項目中，來自科研和工業(yè)領(lǐng)域的合作伙伴們攜手合作，以期找到電機回收方面的解決方案。Scheiter團隊中MORE 項目的負(fù)責(zé)人Jens-Oliver Müller博士介紹道，“電機中的銅得到了較好的回收利用，但是磁體仍然是被當(dāng)成廢品棄置。”鑒于這一現(xiàn)狀，研究人員目前也在開發(fā)拆卸電機和分析其磁體質(zhì)量的方法。根據(jù)磁體的質(zhì)量狀況，或者將其直接予以再利用，或者將其回爐，而后再制成新磁體。此外，項目成員們還在研究用以直接從磁體材料中提取稀土的化學(xué)工藝。

自2011年夏季以來，慕尼黑西門子中央研究院始終在研發(fā)不含稀土的永磁體，這是首開先河的探索。不同于傳統(tǒng)磁體，這種磁體由用鈷化合物制成的納米級磁化棒構(gòu)成。項目總監(jiān)Gotthard Rieger博士將這種材料作為研究重點，因為其較之當(dāng)前的鋁鎳鈷合金不易發(fā)生磁性反轉(zhuǎn)。但是利用這種材料制成的磁體在穩(wěn)定性上則不及在原材料中加入了稀土元素的磁體。要克服上述缺點，增大磁體的體積不失為一種方法，因為體積變大意味著就可以采用磁性較弱的材料。Rieger提醒道，“但是要實現(xiàn)這個構(gòu)想，不是一朝一夕的事。一則這種材料不僅要有良好的磁屬性，還必須具有足夠的熱穩(wěn)定性，才能應(yīng)用到電動汽車中。二則更重要的是，我們需要開發(fā)出能夠大規(guī)模生產(chǎn)這種材料的制造工藝。”

其他一些材料也可能會導(dǎo)致瓶頸的出現(xiàn)。西門子中央研究院的化學(xué)家Ute Liepold博士稱，“銦和鎢的供應(yīng)可能很快就會捉襟見肘。”Liepold目前正在摸索評估產(chǎn)品原材料效率的方法。她希望根據(jù)三種因素來評估產(chǎn)品中所含的材料：材料的環(huán)境影響、供應(yīng)可靠性及其對產(chǎn)品功能的重要性。此類評估可以綜合為整體評估，以供進一步使用，比如用來比較各種電機及其磁體在原材料利用效率方面的優(yōu)缺點。目前一系列材料的環(huán)境影響可以借助于現(xiàn)有工具進行評估，但針對另外兩種材料的評估，仍有待于開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化的方法。

復(fù)雜的采礦工藝。若不考慮到采礦因素，任何針對特定稀缺材料的潛在應(yīng)對措施的分析都算不上完整。有鑒于此，西門子與德國亞琛工業(yè)大學(xué)開展合作，截至2015年，將投資600萬歐元作為9份博士論文的研究經(jīng)費，這些論文的課題均集中在環(huán)保的稀土開采方法領(lǐng)域。由于這些物質(zhì)在自然界中只是以多種稀土氧化物構(gòu)成的混合物形式存在，因此其開采成為難題。這些物質(zhì)首先要通過化學(xué)方法（例如利用酸）從礦石中提取出來，然后通過一系列熔煉工藝轉(zhuǎn)化成金屬。最后剩余的殘漿對環(huán)境有極大的潛在危害，必須適當(dāng)處理，而處理成本頗為高昂，正因如此，20世紀(jì)80年代的很多礦廠才紛紛閉門停業(yè)。

與德國亞琛工業(yè)大學(xué)的合作最初是由西門子工業(yè)自動化集團和驅(qū)動技術(shù)集團的高級技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)部門負(fù)責(zé)人Dieter Wegener教授所發(fā)起。Wegener開發(fā)出了根據(jù)環(huán)境影響和利潤率評估“綠色”產(chǎn)品和解決方案的技術(shù)。

在研究項目的背景下，Wegener的團隊將首次以“生態(tài)保護矩陣”（Eco-Care Matrix）的形式闡述從礦石到成品磁體的整個工藝鏈。Wegener解釋道，“我們將探索在矩陣中能夠發(fā)揮更好性能的工藝，因為有了這樣的工藝以后，重新振興荒廢中的礦廠或開拓新礦藏便有了經(jīng)濟上的可行性。”這是降低對少數(shù)供應(yīng)商的依賴的重要一步。據(jù)Wegener透露，從“生態(tài)保護矩陣”的角度看，此舉還會使無齒輪風(fēng)電機組和電機更加“綠色”，更為經(jīng)濟。