Die Suche nach dem Supermagnet

Mit mehreren Millionen Dollar fördert das US-Energieministerium die Entwicklung neuer magnetischer Nanomaterialien, die die Abhängigkeit vom Seltene-Erden-Monopol Chinas verringern sollen.

Als China im Oktober 2010 die Ausfuhr der so genannten Seltenen Erden verknappte, wurde schlagartig klar: Auch „grüne“ Technologien wie Windräder oder Elektroautos haben ein Rohstoffproblem. Denn die Magnete, mit denen sie arbeiten, benötigen metallische Elemente mit komplizierten Namen wie Neodym oder Dysprosium. Da China 95 Prozent dieser Seltenen Erden produziert, sind innovative Lösungen gefragt. Forschungsgruppen von General Eletric (GE) und der University of Delaware entwickeln nun magnetische Materialien, die dank Nanostrukturen mit deutlich weniger Seltene-Erden-Metallen auskommen sollen.

Moderne Permanentmagnete bestehen aus einer Legierung aus Neodym, Eisen und Bor. Einige Hersteller fügen noch kleine Mengen von anderen Metallen wie Dysprosium und Terbium hinzu, damit die Verbindung ihre Magnetisierung auch bei hohen Temperaturen bis zu 200 Grad Celsius behält. Andernfalls lässt sie bereits ab 80 Grad spürbar nach.

Es sei nicht leicht, neue magnetische Werkstoffe zu finden, sagt George Hadjipanayis, Physiker an der University of Delaware. Er spricht aus Erfahrung, gehörte er doch zu den Wissenschaftlern, die Anfang der 1980er bei der Firma Kollmorgen an der Entwicklung der Neodym-basierten Magnete beteiligt waren. „Wir haben damals wohl auch Glück gehabt“, sagt er rückblickend.

In ihren Experimenten ließen er und seine Kollegen verschiedene Legierungen auskristallisieren, um neue Materialstrukturen zu finden, die stärkere Permanentmagnete ermöglichen. Dieser Ansatz gilt nun als ausgereizt: „Heutige Neodym-Magnete haben ein Leistungsmaximum erreicht“, sagt Frank Johnson, der das Magnetforschungsprogramm bei GE leitet. Das sieht auch Hadjipanayis so: „Nun hoffen alle auf Nanokomposite.“

In denen können zwar auch dieselben Metalle wie in heutigen Permanentmagneten stecken, jedoch in Form von Nanopartikeln. Dadurch entstehen Neodym- und Eisen-basierten Regionen, die über ihre Wechselwirkung größere Feldstärken erzeugen als konventionelle Legierungen und dabei auch noch mit weniger Neodym auskommen.

Physikalisch liegt diesem Ansatz die so genannte Austauschkopplung zugrunde: Sie bewirkt in Metallgemischen, dass sich die Elektronenspins der Atome – die für das magnetische Moment eines Stoffes verantwortlich sind – aneinander ausrichten. Bei Ferromagneten etwa zeigen sie in dieselbe Richtung. Die Austauschkopplung tritt nur in Metallgemischen auf, nicht in reinen magnetischen Materialien.

Weil an der Kopplung vor allem die Grenzflächenatome der verschiedenen Metallpartikel beteiligt sind, wird sie umso größer, je kleiner die Teilchen sind und je mehr Oberflächenatome sie damit relativ zu den Volumenatomen haben. „Das gute an diesem Ansatz ist, dass die Magnete nicht nur stärker werden, sondern auch kompaktere und leichtere Maschinen ermöglichen“, sagt Johnson.

GE hält noch geheim, mit welchen Materialien man experimentiert. Johnson verrät nur, dass das Unternehmen bereits bekannte Verfahren nutzen will. Die entscheidende Schwierigkeit sei, die Herstellung so zu skalieren, dass sie auch für große Magnete funktioniere, sagt Johnson. Bislang haben die GE-Forscher nur dünne Schichten aus den Nanokompositen zustande gebracht.

Auch die Delaware-Gruppe kämpft bei verschiedenen Stoffkombinationen – darunter Eisen-Kobalt – mit diesem Problem: „Die beteiligten Stoffe sind sehr reaktionsfreudig“, erläutert Hadjipanayis. Zudem müssen die verschiedenen Partikelarten so gemischt werden, dass ihre Kontaktflächen möglichst groß sind, um eine nennenswerte Austauschkopplung zu erreichen. „Wir müssen hier einen Schritt nach dem anderen machen“, sagt Hadjipanayis.

General Electric will trotz der noch zu lösenden Probleme die neuen Magnete innerhalb von zwei Jahren zur Marktreife entwickeln. Eile ist tatsächlich geboten. Nach Untersuchungen des US-Energieministeriums (DoE) wird die weltweite Produktion von Neodymoxid im Jahr 2015 bei 30.657 Tonnen liegen. Die Nachfrage könnte dann diese Menge bereits überschreiten. Zwar basieren die DoE-Szenarien auch auf einigen Vermutungen, doch selbst die konservativsten Schätzungen kommen zu dem Schluss, dass die Weltwirtschaft spätestens 2020 mehr Neodym benötigt als sie produziert.

„In der Geschichte mit den Seltenen Erden stand bisher China und der Abbau im Vordergrund“, sagt Steven Duclos, bei GE Global Research für Material-Nachhaltigkeit verantwortlich. Das ändere sich nun, denn „wir glauben, dass die Technik einiges zur Lösung des Problems beitragen kann.“ Das Energieministerium fördert deshalb das Magnet-Entwicklungsprojekt von GE mit 2,25 Millionen Dollar sowie ein weiteres an der University of Delaware über das neue Forschungsprogramm ARPA-E mit 4,5 Millionen Dollar. ARPA-E soll durchschlagende Innovationen in der Energietechnik anstoßen. (nbo)