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Herr Sebastian Webel
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Das Magazin für Forschung und Innovation
 

Materialforschung und Rohstoffe

Die Rohstoff-Detektive

Unabhängigkeit entwickeln: Siemens forscht an leistungsfähigen Permanentmagneten, die möglichst ohne Seltene Erden auskommen, etwa für Windturbinen oder Elektrofahrzeuge. Im Bild analysiert eine CT-Forscherin die magnetischen Eigenschaften.

Die weltweite Nachfrage nach leistungsfähigeren Materialien – etwa den Metallen der Seltenen Erden – wächst. Da viele Rohstoffe jedoch zugleich immer knapper werden, arbeiten Siemens-Experten an Strategien zur effizienteren Nutzung, Wiederverwertung und Substitution dieser Materialien.

Grüne Produkte sind so stark im Vormarsch, dass Werkstoffwissenschaftler Alarm schlagen – wie etwa bei Dauermagneten für Generatoren in Windturbinen. Sie basieren auf Metallen der Seltenen Erden wie Neodym, Praseodym und Dysprosium. Wenn sie optimal kombiniert werden, erreicht ihr Energieprodukt, das Maß für die speicherbare magnetische Energie, über 400 Kilojoule pro Kubikmeter (kJ/m3). Das ist ein so hoher Wert, dass Magnetsysteme, verglichen mit herkömmlichen Magnetwerkstoffen, wesentlich kleiner gestaltet oder mit erheblich höheren magnetischen Energien ausgestattet werden können.

Der Name „Seltene Erden“ ist etwas irreführend, denn etliche der Metalle wie Neodym sind nicht wirklich selten. Sie kommen in der Erdkruste sogar häufiger vor als etwa Blei, doch sind erst wenige größere Lagerstätten entdeckt worden. So gibt es in der Inneren Mongolei, in Westaustralien, Grönland, Kanada und USA Vorkommen. Derzeit wird allerdings die Weltproduktion der Seltenen Erden zu 97 Prozent von China dominiert. „Da droht ein Ressourcenproblem“, warnt Dr. Gotthard Rieger, Leiter der Forschung „Materialsubstitution und Recycling“ bei Siemens Corporate Technology (CT).

Nicht genug der Lieferschwierigkeiten bei Neodym: Mit einem Anteil von vier Prozent verleiht das silbergraue Schwermetall Dysprosium den Magneten eine Temperaturstabilität, wie sie etwa in Windenergieanlagen erforderlich ist. Doch Dysprosium findet man in den Lagerstätten nur in geringen Mengen. Da alternative Vorkommen wohl erst in fünf oder mehr Jahren erschlossen werden können, sind Lieferengpässe fast unvermeidlich. Ein ähnlicher Zeitrahmen gilt für eine Wiederinbetriebnahme der 2002 stillgelegten Mountain Pass Mine in Kalifornien. Und in noch weiterer Ferne liegt die Erschließung Seltener Erden, die Mitte 2011 im Pazifischen Ozean unweit Hawaii und Tahiti auf dem Meeresboden entdeckt wurden.

Starke Abhängigkeit

Der Kern des Problems liegt darin, dass viele Hightech-Produkte wie Elektromotoren, Handys, Laser oder LCD-Fernseher derzeit noch auf Seltene Erden angewiesen sind. Die Einführung von Energiesparlampen, deren Leuchtstoffe ebenfalls Seltene Erden benötigen, hat die Nachfrage weiter verstärkt. „Wegen der guten Eigenschaften dieser Stoffe sind neue Produkte entwickelt worden, die den Markt nochmals angeheizt haben“, erläutert Dr. Ulrich Bast, zuständig für Technologieinnovation bei CT in München.

Beispielsweise können elektrische Maschinen entweder mit zwei Spulensystemen oder mit einer Spule und einem Dauermagneten betrieben werden. Mit Permanentmagneten ausgestattete Synchronmaschinen stellen eine besondere Klasse von Motoren oder Generatoren dar. Sie können bei Windturbinen zu erheblicher Gewichteinsparung führen. „Mit herkömmlichen Werkstoffen wie Eisen und Kupfer muss hingegen ein hohes Gewicht in Kauf genommen werden“, erklärt Rieger. Wesentlich eleganter sei es, die für das „Abgreifen“ der Rotationsenergie zuständigen Außenläufer solch einer Turbine mit dünnen Neodym-Eisen-Bor-Magneten auszustatten, die in diesen Spulen das elektrische Feld induzieren. In konventioneller Ausführung wandelt ein massives Getriebe in Windenergieanlagen die relativ langsame Umdrehung in eine schnelle um, die dann im Generator den Strom erzeugt. Die neuen Konzepte sehen hingegen vor, dass mithilfe von Permanentmagneten auf Basis von Seltenen Erden aus der langsamen Drehung unmittelbar Strom erzeugt wird. Die Vorteile: Das Getriebe entfällt, es wird Gewicht eingespart, und auch der Wartungsaufwand verringert sich, wovon insbesondere der Offshore-Bereich profitiert. Solche getriebelose Turbinen von Siemens existieren bereits für eine 3-Megawatt- und auch für eine 6-MW-Anlage.

All dies führt dazu, dass der Bedarf an Seltenen Erden stetig steigen wird. Hinzu kommt, dass auch China bei Windturbinen und Elektrofahrzeugen eine immer größere Rolle spielt und künftig verstärkt auf die eigenen Ressourcen zurückgreifen wird. Siemens widmet sich der neuen Herausforderung im Rahmen eines Leuchtturmprojekts: Die Forscher um Thomas Scheiter stellen anhand von Statuserhebungen zunächst fest, welche Materialien im Unternehmen in welcher Menge verwendet werden. Auf Basis aktueller Marktdaten wird dann ermittelt, ob es Rohstoffe gibt, die im Hinblick auf ihre Verfügbarkeit als kritisch zu betrachten sind.

Falls ja, sind die rund 200 Materialwissenschaftler bei CT gefordert, technologische Alternativen zu entwickeln. Aufgrund der sich abzeichnenden Verknappung der Seltenen Erden wurde bereits im Vorfeld ein Projekt für neuartige leistungsfähige Permanentmagnete gestartet. Diese sollen entweder ganz ohne oder nur noch mit geringen Mengen an Seltenen Erden auskommen.

„Um etwa Dysprosium effizienter als bisher zu nutzen, wollen wir es künftig nicht mehr im gesamten Material verteilen, sondern eine Struktur schaffen, bei der dieses Element nur an den Kristallitgrenzen von Neodym-Eisen- Bor-Magneten angereichert ist“, erläutert Rieger. Dies kann erreicht werden, indem eine dünne Dysprosium-Schicht auf den fertigen Magneten aufgebracht wird und durch Temperaturbehandlung entlang der Korngrenzen ins Innere eindiffundiert. Dadurch reduziere sich der Verbrauch drastisch, wobei die Eigenschaften gleichbleiben oder sich sogar verbessern würden.

Alternativen finden

Andere Konzepte sehen vor, Motoren gänzlich ohne Seltene Erden zu entwerfen. Heute schon existieren Dauermagnete auf Basis von Eisenoxiden mit Zusätzen von anderen Oxiden. Das Problem: Diese gesinterten Keramikmagnete weisen ohne weitere Vorbehandlung zunächst im Durchschnitt ein um den Faktor zehn kleineres Energieprodukt auf als Selten-Erd-Magnete. Sie sind daher in vielen Motor- und Generatoranwendungen nicht einsetzbar.

Um trotzdem ohne Seltene Erden auszukommen, arbeitet ein Siemens-Team an einem neuartigen Material auf Basis einer Eisen-Kobalt-Verbindung, in der nanometerkleine magnetische Stäbchen wie an einer Perlenschnur aufgereiht in einer Matrix fixiert sind. „Aus solchen Nanostrukturen könnten wir gezielt einen optimierten Dauermagneten herstellen und längerfristig eine Alternative zu Seltenen Erden schaffen“, glaubt Rieger. Bei Siemens in München gibt es bereits einen ersten Laboraufbau, um derartige neue Magnetwerkstoffe zu synthetisieren und zu untersuchen. Ist das ein Zurückrudern in die „Eisenzeit“? „Im Prinzip ist Eisen ein hervorragender Magnetwerkstoff“, argumentiert der Experte. Ob das Energieprodukt dieser Werkstoffe einmal an das der Selten-Erd-Magnete heranreichen oder dieses gar übertreffen könnte, lässt sich zum gegenwärtigen Zeitpunkt nicht absehen.

Eine weitere Möglichkeit des nachhaltigen Umgangs mit Seltenen Erden ist das Recycling dieser Materialien aus Elektromotoren. Doch stehen hierfür noch keine Verfahren zur Verfügung. Vielmehr kommen Motoren gewöhnlich in den Schmelzofen. „Man verwendet das Material zwar wieder, aber Seltene Erden vermischen sich mit dem Rest und gehen einfach unter“, beklagt Bast. Daher haben Siemens-Forscher damit begonnen, ein Verfahren zu entwickeln, das bei der Demontage der Magnete aus den Motoren beginnt und verschiedene Stufen der Wiederaufarbeitung beinhaltet.

„Im einfachsten Fall baut man Magnete aus einem alten Motor aus und in einen neuen wieder ein“, sagt Bast. Das werde aber nicht immer funktionieren, weil die Magnete meist nicht passen. Man arbeitet deshalb daran, die Produkte von Anfang an so zu konstruieren, dass man beim Recycling ohne große Probleme die Permanentmagnete aus dem Motor separieren kann. In dem vom deutschen Forschungsministerium geförderten Projekt werden mit Institutspartnern und Firmen auch Prozesse entwickelt, um Magnetmaterialien aus Schmelzen in einer Schlacke gezielt anzureichern und aus dieser Seltene Erden zurückzugewinnen. Mit einem Einsatz des Verfahrens rechnen Forscher in wenigen Jahren.

Ein sparsamerer Umgang mit Seltenen Erden oder deren Ersatz käme auch der Umwelt zu Gute. „Es zeichnet sich bereits ab, dass man Magnete künftig nachhaltiger herstellen kann“, versichert Dr. Ute Liepold, Projektleiterin im Bereich Materialsubstitution und Recycling bei Siemens. Heute sei der Abbau von Seltenen Erden vor allem in China sehr umweltbelastend, da die Mineralien mit Säure aus Bohrlöchern ausgewaschen werden.

Natürliche Lösung

Auch wenn Seltene Erden unter den kritischen Rohstoffen derzeit die höchste Priorität haben, geben noch weitere Materialien Anlass zur Sorge. „Auch die besonders widerstandsfähigen Refraktärmetalle sind wegen möglicher Lieferengpässe problematisch“, so Liepold. Dazu gehörten etwa Niob, Wolfram und Molybdän, die in Röntgenröhren, Schaltern und weiteren Anwendungen enthalten sind. Bei diesen Metallen ist eine hohe Hitzebeständigkeit gefordert, gleichzeitig wird aber noch eine gewisse Formbarkeit und Leitfähigkeit abverlangt. Liepold: „Eine pauschale Lösung des Problems wird es sicher nicht geben, vielmehr wird man genau schauen müssen, für welches Material es welche Alternativen gibt“.

Ebenfalls als kritisch gelten Metalle wie Platin, Palladium, Indium, Gallium und Germanium. Weniger dramatisch ist die Versorgung mit Gold, Silber und Kupfer, bei denen allerdings mit einem weiteren Preisanstieg zu rechnen ist. Auch hierauf bereiten sich Siemens-Forscher vor. So gibt es bereits ein Projekt, um in elektrischen Leitern Kupfer durch Aluminium zu ersetzen. „Rund 20 Prozent lassen sich im ersten Schritt durch Aluminium ersetzen“, schätzt Liepold. In einem weiteren Projekt wird das Laserschweißen untersucht – mit dem Ziel, künftig ohne Silberlot auszukommen.

Und schließlich erforscht Siemens auch Wege, Kunststoffe aus nachhaltigeren Quellen als Erdöl zu erzeugen. Untersucht werden zurzeit nachwachsende Biopolymere, die etwa aus Rizinuspflanzen oder anderen Ölfrüchten gewonnen werden. Bei Siemens werden herkömmliche thermoplastische Polymere zum Beispiel für Spezialleuchten, medizintechnische Anwendungen und für Sortierkörbe der Postautomatisierung verwendet. Für Liepold ist der Ersatz dieser Polymere durch Biokunststoffe nur ein konsequenter Schritt in die Zukunft: „Als grünes Unternehmen müssen wir auf das Thema Rohstoffe besonderes Augenmerk legen“, sagt die Expertin.

Rolf Froböse