Wissenschaftler des Korea Institute of Materials Science (KIMS) haben ein Verfahren zur Herstellung von Hochleistungs-Permanentmagneten entwickelt, das ohne die teuren schweren Seltenerdelemente auskommt. Das sogenannte Korngrenzen-Diffusionsverfahren könnte vor allem Elektromotoren in Zukunft deutlich günstiger werden lassen.
Billiger und unabhängig von China
Die Erfindung stammt von der Forschungsabteilung für Nanomaterialien unter der Leitung von Dr. Tae-Hoon Kim und Dr. Jung-Goo Lee und gilt bereits jetzt unter Magnet-Spezialisten als echte Sensation. Schließlich ließen sich starke Permanent-Magneten bisher nicht ohne seltene Materialien aus China herstellbar. Die wichtigsten darunter: Neodym, Samarium, Praseodym, Dysprosium, Terbium, Gadolinium. Noch im Jahr 2014 stellte China mehr als 95 Prozent dieser kostbaren Rohstoffe zur Verfügung. Mittlerweile gehören auch Australien und die USA zu den großen Exporteuren.
Teuer sind sie dennoch, weil sie unter hohem Energie-Aufwand gefördert werden müssen. "Aufgrund der Konzentration der schweren Seltenen Erden in bestimmten Regionen und ihrer hohen Kosten bemühen sich Forscher weltweit seit Jahren um die Entwicklung von Technologien, die schwere Seltene Erden in Magneten reduzieren oder ersetzen können." sagen die Projektleiter.
Doch an brauchbaren Alternativen wurde bislang vergeblich geforscht – vor allem mit einer vergleichbar hohen Magnetstärke. Je stärker nämlich ein Permanent-Magnet etwa in einem Elektromotor ist, desto höher können dessen Effizienz und Leistung sein. Ebenso wichtig ist die Resistenz gegen Entmagnetisierung. Die besten Magnete behalten also ihre Stärke über die Zeit. Angegeben wird diese Resistenz mit der Koerzitivfeldstärke – und die ist etwa bei Neodym-Magneten besonders hoch.
Komplizierter chemischer Prozess
Erstmals haben die Forscher nun ähnliche Kennwerte für einen Magneten erreicht, der ohne die genannten, kritischen Materialien auskommt. Notwendig dafür ist ein zweistufiger Korngrenzen-Diffusionsprozess. Im ersten Schritt wird das ferromagnetische Material auf der Oberfläche mit schweren Seltenerd-Materialien beschichtet. Danach folgt eine starke Erhitzung des Körpers. Während dieser Erwärmung diffundieren die schweren Seltenen Erden entlang der Korngrenzen in das Innere des Magneten und verbessern so dessen Koerzitivfeldstärke.
Dazu werden viel günstigere, leichte Selten-Erden (etwa Praseodym) bei hohen Temperaturen in die Magnete eingebracht. Normalerweise entsteht bei einer solchen Korngrenzendiffusion eine Kornvergröberung. Dieses unerwünschte Kornwachstum beeinträchtigt die Effizienz und die magnetische Leistung. Durch ein neu entwickelten und geschützten Prozess, kann genau dieser Effekt unterdrückt werden. Am Ende können auf diese Weise Magneten in hohen Leistungsklassen hergestellt werden, die mit den bisherigen vergleichbar sind.
Die genauen Ergebnisse und die komplizierten chemischen Prozesse hat das Fachmagazin Science Direct zusammengefasst.
Günstige Massenproduktion
Wenn die erforschten Prozesse in naher Zukunft in die Massenproduktion überführt werden, könnten sich damit die Preise für leistungsstarke Elektromotoren verringern. Die sind nicht nur in großen Abmessungen bei Elektroautos gefragt. Auch die boomende Drohnen-Technologie setzt auf hohe Leistungsdichten.
"Wenn diese Technologie kommerzialisiert wird, wird sich Südkorea erstmals eine beherrschende Stellung im wichtigsten Aspekt der Permanentmagnettechnologie sichern." sagt der Projektleiter am KIMS, Dr. Tae-Hoon Kim.
