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Neue Magnete könnten unsere Seltenerd-Probleme lösen
In den nächsten Jahren könnten stärkere und leichtere Magnete auf den Markt kommen, die effizientere Automotoren und Windkraftanlagen ermöglichen. Forscher brauchen die neuen Materialien, weil die besten Magnete von heute Seltenerdmetalle verwenden, deren Angebot trotz steigender Nachfrage unzuverlässig wird.
Daher arbeiten Forscher nun an neuartigen nanostrukturierten Magneten, die weniger Seltenerdmetalle verwenden würden als Standardmagnete. Es bleiben noch viele Hürden, aber GE Global Research hofft, innerhalb der nächsten zwei Jahre neue Magnetmaterialien demonstrieren zu können.
Die stärksten Magnete basieren auf einer Legierung des Seltenerdmetalls Neodym, die auch Eisen und Bor enthält. Magnethersteller fügen diesen Magneten manchmal andere Seltenerdmetalle, einschließlich Dysprosium und Terbium, hinzu, um ihre Eigenschaften zu verbessern. Die Versorgung mit allen drei dieser Seltenen Erden ist aufgrund der steigenden Nachfrage und der Möglichkeit, dass China, das die meisten davon produziert, die Exporte einschränken wird, gefährdet.
Es ist jedoch nicht klar, ob die neuen Magnete auf den Markt kommen, bevor die Nachfrage nach Seltenerdmetallen das Angebot übersteigt. Das US-Energieministerium prognostiziert, dass die weltweite Produktion von Neodymoxid, einem wichtigen Bestandteil von Magneten, im Jahr 2015 insgesamt 30.657 Tonnen betragen wird. In einem der vom DOE prognostizierten Szenarien wird die Nachfrage nach diesem Metall 2015 etwas höher sein als diese Zahl Die Szenarien von DOE beinhalten einige Vermutungen, aber die konservativste Schätzung geht davon aus, dass die Nachfrage nach Neodym das Angebot bis etwa 2020 übersteigt.
Ein Großteil der Geschichte über Seltene Erden hat sich auf China und den Bergbau konzentriert, sagt Steven Duclos, Manager für Materialnachhaltigkeit bei GE Global Research. Wir glauben, dass Technologie dabei eine Rolle spielen kann. Das DOE finanziert das Magnetprojekt von GE, das von Forschern der University of Delaware geleitet wird, über das Programm Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E), das die Erforschung disruptiver Technologien fördert.
Neue Magnetmaterialien zu entwickeln ist nicht einfach, sagt George Hadjipanayis , Lehrstuhlinhaber der Fakultät für Physik und Astronomie an der University of Delaware. Hadjipanayis war in den 1980er Jahren während seiner Tätigkeit bei Kollmorgen an der Entwicklung von Neodym-Magneten beteiligt. Vielleicht hatten wir damals alle Glück, sagt er über die anfängliche Entwicklung von Neodym-Magneten. Die Art und Weise, wie Forscher in der Vergangenheit neue Magnete herstellten, bestand darin, Legierungen zu kristallisieren und nach neuen Formen mit besseren Eigenschaften zu suchen. Dieser Ansatz wird in Zukunft nicht funktionieren. Die Leistung von Neodym-Magneten hat sich stabilisiert, sagt Frank Johnson, der das Magnetforschungsprogramm von GE leitet. Hadjipanayis stimmt zu. Die Hoffnung seien jetzt Nanokomposite, sagt er.
Nanokomposit-Magnetmaterialien bestehen aus Nanopartikeln der Metalle, die in heutigen magnetischen Legierungen vorkommen. Diese Komposite weisen beispielsweise Neodym-basierte Nanopartikel gemischt mit Eisen-basierten Nanopartikeln auf. Diese nanostrukturierten Bereiche im Magneten interagieren auf eine Weise, die zu besseren magnetischen Eigenschaften führt, als sie in herkömmlichen magnetischen Legierungen zu finden sind.
Der Vorteil von Nanokompositen für Magnete ist zweifach: Nanokomposite versprechen eine höhere Festigkeit als andere Magnete mit ähnlichem Gewicht und sollten weniger Seltenerdmetalle verwenden. Was in diesen Nanokompositen bessere magnetische Eigenschaften ermöglicht, ist eine Eigenschaft, die als Austauschkopplung bezeichnet wird. Die Physik ist komplex, aber die Kopplung zwischen verschiedenen Nanopartikeln im Verbund führt zu magnetischen Gesamteigenschaften, die größer sind als die Summe der Teile.
Austauschkopplung kann in reinen Magnetmaterialien nicht vorkommen, tritt aber in Verbundwerkstoffen aus Mischungen von Nanopartikeln der gleichen Metalle auf, die zur Herstellung konventioneller Magnete verwendet werden. Der Vorteil stärkerer Magnete besteht darin, dass die Maschinen, in die sie eingesetzt werden, kleiner und leichter sein können, sagt Johnson.
GE wollte nicht verraten, welche Materialien es zur Herstellung der Magnete verwendet oder welche Herstellungsverfahren es sein würden, aber Johnson sagt, dass das Unternehmen sich auf Techniken verlassen wird, die es entwickelt hat, um mit anderen Metallen zu arbeiten. Das Hauptproblem des Unternehmens, sagt Johnson, sei die Produktionsausweitung für große Magnete – bisher sei es nur möglich gewesen, dünne Schichten aus den Nanokompositen herzustellen. Das Unternehmen verfügt über eine Finanzierung von rund 2,25 Millionen US-Dollar von ARPA-E.
Hadjipanayis berichtet, dass seine Gruppe, ein Konsortium aus mehreren Instituten, fast 4,5 Millionen US-Dollar an ARPA-E-Finanzierung erhalten hat. Es ist möglich, die notwendigen Nanopartikel in kleinen Mengen im Labor herzustellen, aber die Skalierung wird schwierig sein. Sie sind sehr reaktive Materialien, sagt er.
Die Gruppe experimentiert mit einer Vielzahl verschiedener Arten von Nanopartikeln, einschließlich Kombinationen von Neodym-basierten Nanopartikeln mit Eisen-Kobalt-Nanopartikeln. Eine weitere Herausforderung besteht darin, die Nanopartikel in einer Mischung zusammenzusetzen, die sicherstellt, dass sie genügend Kontakt miteinander haben, um eine Austauschkopplung zu erhalten. Es ist ein Schritt nach dem anderen, sagt Hadjipanayis.