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Elektromobilität Hartmagnete mit weniger Seltenen Erden gefunden

| Redakteur: Katharina Juschkat

Seltene Erden sind in der Elektromobilität und bei erneuerbaren Energien unverzichtbar, der teure Abbau auf Kosten der Umwelt ist problematisch. Das Fraunhofer IWM hat jetzt vielversprechende Materialansätze für neue Dauermagneten gefunden. Die Ergebnisse wurden im Online-Fachmagazin „Scientific Reports“ publiziert.

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Seltene Erden sind kostenintensiv im Abbau, werden aber für die Herstellung starker Dauermagnete benötigt, die in der Elektromobilität und bei erneuerbaren Energien eingesetzt werden. Im Bild: Eisenerztagbau neben der steirischen Stadt Erzberg.
Seltene Erden sind kostenintensiv im Abbau, werden aber für die Herstellung starker Dauermagnete benötigt, die in der Elektromobilität und bei erneuerbaren Energien eingesetzt werden. Im Bild: Eisenerztagbau neben der steirischen Stadt Erzberg.
(Bild: gemeinfrei / CC0 )

Seltene Erden werden in vielen Zukunftstechnologien eingesetzt. Neben der Verwendung in Bildschirmen werden sie vor allem für die Herstellung starker Dauermagnete genutzt, die für die Elektromobilität und für erneuerbare Energien bisher unverzichtbar sind. Das Problem: Seltene Erden sind sehr kostenintensiv im Abbau und setzen der Umwelt zu. Um die Metalle herauszuwaschen, werden Säuren verwendet. Künstliche Teiche sammeln die giftigen Rückstände, die das Grundwasser gefährden können. Fehlende Umweltstandards in den abbauenden Ländern kommen erschwerend hinzu.

Jetzt ist es dem Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM in Freiburg gelungen, mit einem selbst entwickelten Simulationsverfahren auf Basis eines High-Throughput-Screening (HTS) vielversprechende Materialansätze für neue Dauermagnete zu identifizieren. Das Team verbesserte damit die magnetischen Eigenschaften und ersetzte gleichzeitig Seltene Erden durch Elemente, die weniger teuer und zuverlässig verfügbar sind. Die Ergebnisse wurden im Online-Fachmagazin „Scientific Reports“ publiziert.

Links: Die Thorium-Mangan-Kristallstruktur (ThMn12) mit Neodym-Atomen (blaue Kugeln) hat bessere magnetische Eigenschaften als der derzeitige Supermagnet, ist jedoch unstabil; rechts: stabilere Struktur mit Atomen wie Bor, Kohlen- oder Stickstoff (kleine gelbe Kugeln).
Links: Die Thorium-Mangan-Kristallstruktur (ThMn12) mit Neodym-Atomen (blaue Kugeln) hat bessere magnetische Eigenschaften als der derzeitige Supermagnet, ist jedoch unstabil; rechts: stabilere Struktur mit Atomen wie Bor, Kohlen- oder Stickstoff (kleine gelbe Kugeln).
(Bild: Fraunhofer IWM)

Neue Hartmagnete mit Computational High-Throughput-Screening gefunden

Ausgangspunkt des Projekts der IWM-Forscher Wolfgang Körner, Georg Krugel und Christian Elsässer war eine Neodym-Eisen-Stickstoff-Verbindung, die auf einem Thorium-Mangan-Kristallstrukturtyp basiert. „Die verwendete Verbindung hat bessere magnetische Eigenschaften als der derzeitige Supermagnet aus Neodym, Eisen und Bor“, erklärt Georg Krugel, allerdings sei das Material noch nicht stabil genug. Bislang lässt es sich nur in dünnen Schichten herstellen.

Ziel des Projekts der Gruppe Materialmodellierung war die Identifizierung eines neuen Dauermagneten mit den gleichen oder besseren magnetischen Eigenschaften hinsichtlich Stärke und Richtungsstabilität, der aber auch die benötigte Materialstabilität aufweist. Mit dem HTS-Verfahren haben die Forscher in der Kristallstruktur unterschiedliche Atome systematisch durchvariiert. Zunächst ersetzten die Forscher die Neodym-Atome durch andere Seltene Erden, beispielsweise Cer, welches erheblich kostengünstiger ist. Die Eisen-Atome variierten sie dann mit Übergangsmetallen wie Kobalt, Nickel und Titan, aber auch mit weiteren Elementen wie Silizium. Das HTS umfasste auf diese Weise 1280 Varianten, die die Forscher hinsichtlich ihrer Eigenschaften analysierten.

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