Forscher ermöglichen geringeren Einsatz Seltener Erden in Elektromotoren

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Ein Elektromotor, der millionenfach im Getriebe von Autos eingesetzt wird, war eine der Referenzen für das Fraunhofer-Team.
Quelle: Fraunhofer IFAM

Der Einsatz von Seltenen Erden in Elektromotoren lässt sich auf ein Fünftel des heutigen Werts reduzieren. Zu diesem Ergebnis kamen Forscher von acht Fraunhofer-Instituten in dem 2013 gestarteten Leitprojekt „Kritikalität Seltener Erden“. Auslöser für das Projekt war ein Preisschock: China, wo rund 90 Prozent der Seltenen Erden für den Weltmarkt gefördert werden, verhängte damals einen Exportstopp, die Preise schnellten in die Höhe und die Verwundbarkeit der deutschen Industrie im Hinblick auf die Versorgungssicherheit mit diesen Rohstoffen wurde offensichtlich.

Deshalb zielten die Forscher eigenen Angaben zufolge darauf ab, die verfügbaren Seltenen Erden klüger zu nutzen und Ersatzmaterialien zu suchen, vor allem für die Elemente Dysprosium und Neodym. Diese werden beispielsweise für Magnete benötigt, wie sie etwa in Elektromotoren zum Einsatz kommen. Als Referenz wählte das Fraunhofer-Team deshalb zwei Elektromotoren, einen Kleinantrieb sowie einen Traktionsantrieb. Kombiniert man alle im Projekt entwickelten Möglichkeiten, Seltene Erden einzusparen oder zu ersetzen, lässt sich der Bedarf an Dysprosium und Neodym in diesen Motoren auf bis zu 20 Prozent der ursprünglich benötigten Mengen senken.

Forscher kombinierten verschiedene technische Ansätze

„Unser Ziel war, den Bedarf an Seltenen Erden an diesen Benchmark-Motoren zu halbieren. Das haben wir deutlich übertroffen, indem wir verschiedene technische Ansätze kombiniert haben“, sagte Professor Ralf B. Wehrspohn, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS und Sprecher des Leitprojekts. Er betont die Relevanz der gewählten Beispiele: „In einem durchschnittlichen Auto sind heute Dutzende solcher Motoren enthalten, die Fensterheber, Scheibenwischer oder Ölpumpe bewegen. Sehr viele dieser Motoren funktionieren mit Permanentmagneten, in denen Seltene Erden stecken. Durch immer neue Assistenzsysteme und nicht zuletzt durch den Trend zur Elektromobilität wird ihre Zahl künftig deutlich steigen. All das zeigt, wie wichtig ein effizienter Umgang mit diesen wertvollen Rohstoffen ist.« 

Die Fraunhofer-Partner haben die Rohstoffmärkte für Seltene Erden analysiert, zugleich wurden Konzepte entwickelt, wie bereits beim Design von Elektromotoren die spätere Wiederverwendung oder das Recycling von Seltenen Erden mitgedacht werden kann. Sie setzten außerdem bei den Herstellungsprozessen von Magneten an und fanden Lösungen, wie dabei weniger Ausschuss entsteht. Möglich wird das beispielsweise durch Spritzgussverfahren, bei dem das Magnetmaterial gemeinsam mit einem Kunststoff-Binder direkt in die gewünschte Form gebracht und anschließend gesintert wird. So entfallen zugleich aufwändige Nachbearbeitungen.

Verfahren zum Recycling von Permanent-Magneten entwickelt

In einem weiteren Teilprojekt wurde ein Verfahren entwickelt, um Permanentmagnete etwa aus Elektroschrott, Windrädern oder Autos wiederverwerten zu können. Sie zerfallen dabei durch die Behandlung mit reinem Wasserstoff in kleinste Partikel und werden dann erneut gegossen oder gesintert. Die recycelten Magnete erreichen 96 Prozent der Leistungsfähigkeit von neuen Magneten. Weltweit einzigartig ist das im Leitprojekt entwickelte Verfahren, Dysprosium durch eine Kombination aus Spark-Plasma-Sintering (SPS) und Heißpressen in Korngrenzenphasen einzubringen und somit anisotrope Magnete für vielfältige Anwendungen bei Elektromotoren herzustellen.

Auch das Design der Referenz-Elektromotoren wurde optimiert: Wenn die Motoren im Betrieb nicht so heiß werden, können Magnete mit geringerer Temperaturstabilität und damit mit geringerem Dysprosium-Anteil eingesetzt werden. Nicht zuletzt wurden Materialien gesucht und gefunden, die ebenfalls als Magnete dienen können, aber keine Seltenen Erden enthalten. In Hochdurchsatzverfahren haben die Forscher dabei zahlreiche Materialkombinationen getestet und neue Legierungen nachgewiesen, die statt Seltener Erden unter anderem Cer enthalten, das bei der Förderung von Neodym anfällt. Als Flakes weisen die neuen Verbindungen bereits sehr gute magnetische Leistungen auf. Alle identifizierten Substitutionsmaterialien wurden zudem hinsichtlich ihrer gegenwärtigen und erwarteten Versorgungssicherheit analysiert.

Unternehmen für Markteinführung gesucht

Die Forscher haben das Thema somit von der quantenphysikalischen Computersimulation von Magnetmaterialien über die endformnahe Fertigung von Magneten bis hin zur Rückgewinnung der eingesetzten Seltenerdmetalle nach der Nutzungsphase in den Blick genommen. „Durch die auch im internationalen Maßstab einzigartige Breite und Tiefe der Kompetenzen haben wir sehr konkrete Fortschritte erzielt und weitere Ansatzpunkte für einen effizienteren Einsatz von Seltenen Erden und die Substitution identifiziert“, sagte Wehrspohn. „Diese Ergebnisse wollen wir nun mit Unternehmen in den Markt bringen“.

Beteiligt am Leitprojekt „Kritikalität Seltener Erden“ waren das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC mit der Projektgruppe IWKS, das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, das Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM, das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS, das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF, das Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI, das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM und das Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB.

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