Ersatz für seltene Erden

Rohstoffe aus der Gruppe der Seltenen Erden machen die Entwicklung nicht nur von Elektroautos oder Windkraftanlagen kostenintensiv. Nun haben Forscher entdeckt, wie sich der Bedarf verringern lässt.

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Deutsche Forscher arbeiten derzeit daran, die Menge an teuren Seltenen Erden in der Hightech-Produktion deutlich zu senken, berichtet Technology Review in seiner April-Ausgabe (seit Donnerstag am Kiosk oder online bestellbar). Seltene Erden werden nicht nur zur Herstellung von in Smartphones, Handys, Computern, Fernsehern und anderer Elektronik benötigt, sondern sie machen auch Elektroautos oder Windkraftanlagen teuer und zettelten veritable Handelskriege zwischen Europa und China an. Chinesisches Dysprosium etwa kostet beispielsweise 630 Dollar pro Kilogramm. Die Wissenschaftler konzentrieren sich deshalb zunächst darauf, den Anteil schwerer seltener Erden in Dauermagneten zu reduzieren. "Von acht Prozent wollen wir auf unter zwei Prozent kommen", sagt Oliver Gutfleisch, Professor für funktionale Materialien an der TU Darmstadt. Mit Elektronenmikroskopen sucht Gutfleisch nach Schwachstellen in den Nanostrukturen von Magneten. Fündig wurde er an den Übergängen zwischen den Neodym-Eisen-Bor-Partikeln, den sogenannten Korngrenzen-Phasen.

Ein erster Ansatz ist deshalb, Dysprosium nur noch an diesen Übergängen anzureichern. Siemens, das ebenfalls an der Reduzierung seltener Erden arbeitet, will dazu die Herstellung abändern: Das Unternehmen will Magneten nur noch mit einer dünnen Dysprosium-Schicht umgeben und das Metall dann durch eine spezielle thermische Behandlung an den Partikelübergängen konzentrieren.

Gutfleisch will sogar das Ziel erreichen, komplett auf schwere seltene Erden zu verzichten. Er versucht, die thermische Stabilität der Magnete zu erhöhen, indem er die Partikel an ihren Übergängen mit einer Art Schutzmantel aus einer Neodym-Kupfer- oder Neodym-Aluminium-Legierung umgibt. Schon 2015 will Gutfleisch fertige Permanentmagnete vorstellen, die ohne schwere seltene Erden auskommen. Andere Wissenschaftler haben den Ehrgeiz, auch auf leichte seltene Erden zu verzichten. In Japan und den USA forschen sie an Magneten aus Eisennitrid. Es hat eine ähnlich starke Magnetisierung wie Neodym-Eisen-Bor, zerfällt aber erst bei 200 Grad Celsius. Migaku Takahashi von der Tohoku Universität will bereits Nanopartikel und dünne Schichten aus Eisennitrid hergestellt haben, die entsprechend hitzebeständig sind.

Ein zweiter Ansatz basiert auf Mangan-Wismut-Verbindungen. Sie verhalten sich atypisch, bei höheren Temperaturen steigt ihre Widerstandsfähigkeit gegen Entmagnetisierung. Nachteilig ist allerdings ihre geringe Energiedichte, sie soll durch die Beigabe von Eisen und Cobalt erhöht werden. Diese Verbindung ist aber relativ weich. Siemens forscht deshalb an speziellen Nanodrähten aus Eisen-Cobalt, welche die Legierung härten und stabilisieren sollen. Ziel sind Magnete, die bei über 150 Grad Celsius stabil bleiben.

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(bsc)