Die Materialforscher bei Siemens sind ständig auf der Suche nach Stoffen, die ein Produkt besser machen. Gleichzeitig entwickeln sie Methoden, um wertvolle Rohstoffe so nachhaltig wie möglich zu verwenden. Wichtig ist auch, neue Materialien schnell patentieren zu können.
Energiesparende Schaltungstechnik
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Materialforscher sind Schatzsucher. Schon ein paar Ausgangselemente eröffnen ihnen ein weites Feld möglicher Kombinationen. Doch sie müssen schnell sein, um die wenigen Nuggets vor ihren Wettbewerbern zu entdecken. „Wer am schnellsten ist, dem gehört das Patent“, sagt Dr. Raquel de la Peña Alonso. Sie arbeitet bei Siemens Corporate Technology (CT) in München, wo sie im Technologiefeld Keramik das Labor für High Throughput Experimentation (HTE) betreut, also für Materialexperimente mit hohem Durchsatz. Roboter, die hochgenau dosieren, produzieren hier eine große Zahl von Proben. Spezielle Programme untersuchen die kleinen Probenmengen dann auf die gesuchten Eigenschaften hin – etwa den Schmelzpunkt oder die elektrische Leitfähigkeit. Da 120 Proben gleichzeitig einen Arbeitsgang durchlaufen, passiert das Ganze etwa 20-mal schneller, als wenn jeder Stoff von Hand hergestellt würde. Das spart Personal, Kosten, Zeit und Material.
Starke Leuchtkraft. Im Moment entstehen im HTE-Labor neue Leuchtstoffe, wie man sie zum Beispiel in weißen Leuchtdioden (LED) findet, wo ein blau emittierender Chip den Leuchtstoff darüber so anregt, dass insgesamt weißes Licht entsteht. Wie stark und in welcher Farbe ein Leuchtstoff strahlt, hängt von seiner Zusammensetzung und Kristallstruktur ab. Zusammen mit der Siemens-Tochter Osram sucht de la Peña Alonso effizientere Leuchtstoffe oder solche, die in anderen Farben als bisher leuchten. Unter anderem fanden die Forscher einen Leuchtstoff, der rötlicher strahlt als andere. Warmweiße LED brauchen diese roten Lichtanteile, um ein angenehm warmes Licht abzustrahlen. Dank der Arbeit der Siemens-Forscher hält Osram nun einige Patente mehr im hart umkämpften LED-Markt, und die Leuchtdiode kommt zugleich mit weniger Leuchtstoff aus.
Leuchtstoffe enthalten auch Materialien der so genannten seltenen Erden, beispielsweise Europium. Wenn in Zukunft die Allgemeinbeleuchtung stärker auf LED setzt, könnten diese Rohstoffe knapp werden. Dr. Thomas Scheiter leitet bei CT in München ein Leuchtturmprojekt, das Strategien für den nachhaltigen Umgang mit solch wertvollen Rohstoffen entwickelt. Ein wichtiges Thema sind Permanentmagnete, die auf den seltenen Erden Neodym und Dysprosium basieren. Sie werden unter anderem in Windturbinen und Elektromotoren eingesetzt – was im Zuge der Energiewende auch zu Versorgungsengpässen führen könnte. Scheiters Team arbeitet daher an Recyclingverfahren, erforscht magnetische Materialien ohne seltene Erden und entwickelt Methoden, um ein Produkt im Hinblick auf den effizienten Einsatz von Rohstoffen beurteilen zu können.
So leitet Siemens das vom Bundesforschungsministerium (BMBF) geförderte Projekt MORE, in dem Partner aus Industrie und Forschung an Lösungen für das Recycling von Elektromotoren arbeiten. „Heute verwertet man hauptsächlich das Kupfer der Motoren, doch die Magnete landen auf dem Schrott“, erklärt Dr. Jens-Oliver Müller, der in Scheiters Team für das Projekt verantwortlich ist. Die Forscher entwickeln Methoden für die Demontage der Motoren und analysieren die Qualität der Magnete. Je nach Zustand kann man sie direkt wieder verwenden oder einschmelzen, um neue Magnete herzustellen. Die Projektpartner arbeiten auch an chemischen Verfahren, um die seltenen Erden direkt aus dem Magnet-Material zu extrahieren.
Ebenfalls bei CT in München entstehen seit Sommer 2011 erste neuartige Dauermagnete ohne seltene Erden. Sie basieren auf magnetischen Nanorods, das sind nanometerkleine Stäbchen aus einer Kobalt-Verbindung. Pogrammleiter Dr. Gotthard Rieger setzt auf das Material, weil es stabiler gegen Ummagnetisierung ist als etwa die heute verfügbaren Aluminium-Nickel-Kobalt-Magnete. An die Stabilität der Magnete mit seltenen Erden kommt es allerdings nicht ganz heran. Man könnte jedoch in manchen Elektromotoren den Magneten ein wenig größer auslegen und dafür ein schwächeres Material einsetzen. Aber das wird laut Rieger noch dauern: „Die Materialien brauchen nicht nur gute magnetische Eigenschaften, sondern müssen auch temperaturstabil genug sein, um in Elektroautos eingesetzt werden zu können. Und dann brauchen wir auch noch Herstellungsverfahren für die Massenproduktion.“
„Aber nicht nur bei seltenen Erden, auch bei anderen Materialien wie Indium oder Wolfram könnte es zu Versorgungsproblemen kommen“, erklärt Dr. Ute Liepold. Die CT-Chemikerin arbeitet an einer Bewertungsmethode für die Rohstoffeffizienz eines Produkts. Sie will die im Produkt enthaltenen Materialien nach drei Indikatoren beurteilen: ihren ökologischen Auswirkungen, ihrer Versorgungssicherheit und ihrer Bedeutung für die Funktion des Produkts. Die Bewertungen werden zu einer Gesamtwertung kombiniert, mit der man beispielsweise Elektromotoren mit verschiedenen Magneten hinsichtlich ihrer Rohstoffeffizienz vergleichen kann. Während der ökologische Aspekt anhand anerkannter Energie- und Ökobilanzverfahren festgelegt werden kann, müssen für die beiden anderen Indikatoren noch standardisierte Methoden entwickelt werden.
Komplizierter Abbau. Am anderen Ende des Herstellungsprozesses von Dauermagneten setzt Siemens ebenfalls an – zusammen mit der RWTH Aachen. Siemens investiert bis 2015 sechs Millionen Euro und finanziert zehn Doktorarbeiten, die hauptsächlich umweltfreundliche Methoden zur Gewinnung seltener Erden erforschen und heute nicht genutzte Lagerstätten untersuchen. Der Abbau seltener Erden ist kompliziert, denn die Substanzen kommen in der Natur nur als Gemisch mehrerer Seltene-Erden-Oxide vor. Diese Oxide werden chemisch – unter anderem mit Säuren – aus dem Erz herausgelöst und über Schmelzprozesse in Metalle überführt. Die anfallenden Schlämme sind stark umweltbelastend und müssen aufwändig aufbereitet werden. Viele Förderstätten haben daher in den 80er-Jahren den Betrieb eingestellt.
Prof. Dieter Wegener, Leiter der Abteilung Advanced Technologies and Standards der Siemens-Divisionen Industry Automation und Drive Technologies, ist Initiator dieser Kooperation. Er ist überzeugt, dass sich bessere Lösungen finden lassen und hat eine Methode entwickelt, um „grüne“ Produkte und Lösungen nach ihrem Umwelteinfluss und ihrer Wirtschaftlichkeit zu beurteilen. Im Rahmen des Forschungsprojekts soll nun erstmals die gesamte Prozesskette vom Erz bis zum fertigen Magneten in dieser so genannten Eco-Care-Matrix abgebildet werden. „Wir suchen Prozesse, die in der Matrix besser abschneiden. Damit würde es wirtschaftlich sinnvoll, aufgegebene Minen zu revitalisieren oder neue Lagerstätten zu erschließen“, erklärt Wegener. Damit wäre ein großer Schritt getan, um die Abhängigkeit von heute wenigen Lieferanten zu mildern. Gleichzeitig würden die getriebelosen Windturbinen oder Elektromotoren laut Wegener noch „grüner“ im Sinne von Wegeners Matrix: nämlich umweltfreundlicher und zugleich wirtschaftlicher.