Durchbruch in Leoben

Meteoriten-Mineral aus Labor ersetzt seltene Erden

Tetrataenit wurde bisher nur in Meteoriten gefunden. Forscher aus Österreich und Großbritannien haben das Material nun mit relativ einfachen Methoden im Labor erschaffen.

(Bild: Rob Lavinsky, iRocks.com – CC-BY-SA-3.0)

Für Elektromotoren oder Windturbinen werden Hochleistungsmagnete benötigt. Für deren Herstellung braucht man allerdings Seltene Erden, deren Abbau die Umwelt belastet und die nur in wenigen Ländern - Hotspot ist China - vorkommen. Österreichischen und britischen Forschern ist es nun gelungen, das nur aus Meteoriten bekannte Mineral Tetrataenit im Labor herzustellen. Damit könnte man solche Magnete auch ohne Seltene Erden realisieren - und die Abhängigkeit von einzelnen Exporteuren verringern.

Zur Gruppe der Seltenen Erden zählen 17 chemische Elemente, die für viele Hightech-Produkte wie Handys unverzichtbar sind. Zudem spielen Stoffe wie Neodym in Elektromotoren oder Windturbinen eine wichtige Rolle, wo sehr starke kleine Dauermagnete benötigt werden. Für deren Produktion sind derzeit Neodym und andere Seltenerdelemente konkurrenzlos.

Markt fest in chinesischer Hand
Das wird aus zwei Gründen kritisch gesehen: Einerseits ist der Abbau der entsprechenden Erze mit enormem Aufwand und großen Umweltbelastungen verbunden: Es muss eine riesige Menge an Material abgebaut werden, um kleine Mengen Seltener Erden zu erhalten. Andererseits ist ihre aufwendige Förderung fest in chinesischer Hand - neun von zehn Permanentmagneten kommen derzeit aus China.

Ein Stück Neodym: Das Material wird unter anderem für Elektromotoren und Festplatten benötigt.

(Bild: stock.adobe.com)

Daher wird intensiv nach Alternativen gesucht: Eine natürliche Legierung aus Eisen und Nickel namens „Tetrataenit“ könnte dies sein, berichten die Forscher im Fachjournal „Advanced Science“. Das Problem: Das Mineral wurde bisher nur in Meteoriten entdeckt und braucht üblicherweise Millionen von Jahren, um sich zu bilden.

„Die Struktur von Tetrataenit entsteht normalerweise nur, wenn ein Eisen-Nickel-Gemisch nach seiner Entstehung extrem langsam abkühlt, mit einer Geschwindigkeit von weniger als 0,01 Grad Celsius pro Jahr“, erklärte Baran Sarac vom Erich-Schmid-Institut für Materialwissenschaft der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) in Leoben. Die Eisen- und Nickelatome bilden so eine bestimmte Kristallstruktur, die zu einem Material mit magnetischen Eigenschaften führt, die jenen aus Seltenerdelementen ähneln.

Phosphor und Kohlenstoff als Turbo
Sarac und seinem Kollegen Jürgen Eckert ist es nun gemeinsam mit Kollegen von der Cambridge University (Großbritannien) gelungen, im Labor diesen Prozess durch die Zugabe von kleinen Mengen an Phosphor und Kohlenstoff zu einer Schmelze aus Eisen und Nickel massiv zu beschleunigen. „In einem Vakuum haben wir ein bis drei Millimeter lange Zylinder gegossen, die in wenigen Millisekunden auskühlen“, erklärte Sarac. Durch das Phosphor können sich die Eisen- und Nickelatome schneller bewegen und so die notwendige Kristallstruktur in dieser kurzen Zeit bilden.

Die Wissenschaftler hoffen, dass der einfache Herstellungsprozess es ermöglicht, in relativ kurzer Zeit eine Produktion im industriellen Maßstab zu erreichen. Sie haben die neue Methode zum Patent angemeldet und Kontakt mit Start-ups und großen Unternehmen aufgenommen, die Interesse an der Methode haben.