Zukunftstechnologie

Simulation hilft Seltene Erden effizient zu nutzen

28.02.2011 10:31

Hochleistungsmagnete, wie man sie in jedem Hybrid- oder Elektroauto und in jeder Windkraft-Turbine findet, enthalten Seltene Erden. Doch diese von der High-Tech-Industrie begehrten, allerdings geografisch nur sehr eingeschränkt verfügbaren Rohstoffe sind knapp. Computersimulationen der Fachhochschule St. Pölten zeigen nun, dass sich der Einsatz Seltener Erden in solchen Magneten optimieren und die notwendige Menge reduzieren lässt.

Im Rahmen des vom Wissenschaftsfonds FWF geförderten Spezialforschungsbereichs "Vienna Computational Materials Laboratory" haben die Wissenschaftler an der FH St. Pölten die genaue Struktur von Neodym-Eisen-Bor-Magneten untersucht. "In jeder größeren Windkraft-Turbine steckt ein zwei Tonnen schwerer Neodym-Magnet", erklärte der Leiter des FH-Studiengangs "Industrial Simulations", Thomas Schrefl. Weiterer Großverbraucher ist die Autoindustrie im Bereich Hybrid- und Elektroautos, aber auch in vielen elektronischen Gadgets stecken solche Magnete. Entsprechend groß ist der Bedarf an den Rohstoffen dafür.

Verschärft wird dieser Bedarf noch durch ein Leistungsproblem bei Neodym-Eisen-Bor-Magneten. Um deren volle Leistung zu erhalten, muss Dysprosium beigemischt werden, eine sehr rare Seltene Erde. Allerdings kommt Dysprosium laut Schrefl in fast allen Lagerstätten außerhalb Chinas (das Land liefert mehr als 95 Prozent aller Seltenen Erden für den Weltmarkt, hat seine Exporte aber im Vorjahr eingeschränkt) nur in Verbindung mit radioaktiven Substanzen vor und ist entsprechend schwierig abzubauen beziehungsweise aufzubereiten.

Störungen der Kristallstruktur schwächen Magneten-Leistung
Die Simulationen der Wissenschaftler zeigten nun, dass Störungen der Kristallstruktur in Neodym-Magneten zu der Schwächung der Leistung des Magneten führen. Solche Störungen treten an den Grenzflächen der einzelnen Materialkörnchen auf, insbesondere dann, wenn drei verschiedene Körner aufeinander treffen. "An diesen sogenannten Triplejunctions bildet sich ein nichtmagnetischer Einschluss, in dessen Nähe das Kristallgitte gestört ist", so Schrefl. Zusätzlich schwächen an diesen Stellen Magnetfelder die Gesamtleistung des Magneten weiter.

Die Simulationen der Wissenschaftler zeigten nun mehrere Möglichkeit, um diese Störungen zu minimieren. "Einerseits kann man die Korngröße der Materialien reduzieren, andererseits andere Materialien wie Kupfer zulegieren und damit die Korngrenzphasen verändern", so Schrefl. In beiden Fällen würde jedenfalls der notwendige Einsatz von Dysprosium deutlich verringert.

Arbeit an der Technologie der Zukunft
Im Rahmen des Spezialforschungsbereichs versuchen mehr als 50 heimische Forscher in zwölf Projektgruppen Eigenschaften von Materialien zu beschreiben und zu simulieren, die große Bedeutung für zahlreiche Zukunftstechnologien haben. Die genauen Berechnungen werden am Dienstag auf der Jahrestagung der US-amerikanischen "Minerals, Metals and Materials Society" in San Diego (Kalifornien) erstmals vorgestellt.