Fraunhofer-Einrichtung für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie IWKSSkalierung der 2-Pulvermethode zur Herstellung von Permanentmagneten mit reduziertem Gehalt kritischer Elemente
Permanentmagnete auf Basis von Seltenen Erden (SE) erhöhen u.a. die Effizienz von Generatoren in Windkraftanlagen und Motoren in Elektrofahrzeugen signifikant. Sie sind somit für eine erfolgreiche Energiewende unerlässlich. Doch die Versorgung und der Abbau von SE wird von der EU als sehr kritisch eingestuft. An diesem Punkt setzt das aktuell gestartete Projekt Scale2PM der Technischen Universität Darmstadt gemeinsam mit der Fraunhofer-Einrichtung für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie IWKS an: Ziel ist es, ein neuartiges Herstellungsverfahren zu validieren, um Permanentmagnete mit besseren oder gleichwertigen Eigenschaften bei verringertem Ressourceneinsatz zu produzieren.
Der Einsatz von SE ist mit einem hohen Versorgungsrisiko verbunden, da SE nur in bestimmten Gebieten der Erde vorkommen. „Seltene Erden sind nicht notwendigerweise selten, aber kritisch, da seltene Erdelemente zu mehr als 90 Prozent aus China importiert werden, weshalb hier eine klare Monopolstellung besteht“, erläutert Prof. Dr. Oliver Gutfleisch, Technische Universität Darmstadt und Koordinator des Vorhabens. Und weiter: „Als besonders kritisch werden die schweren SE Dysprosium (Dy) und Terbium (Tb) betrachtet, die in jedem Hochleistungsmagneten für erhöhte Anwendungstemperaturen benötigt werden.“ Hinzu kommen ökologische Aspekte, da der Abbau der SE in der gegenwärtigen Form die Umwelt durch vergifteten Schlamm, bestehend aus Schwermetallen, Fluoriden und radioaktiven Substanzen, schwer belastet. In Kombination bedingt dies, dass der Einsatz von insbesondere schweren SE Elementen in Produkten reduziert werden muss.
2-Pulvermethode sichert den Bedarf und schont die Umwelt
Hier knüpft das neuartige, von der TU Darmstadt international patentierte Herstellungsverfahren an, womit die kritischen SE Anteile im Magnetwerkstoff deutlich herabgesetzt werden können. Denn: 90 Prozent aller Nd-Fe-B-Permanentmagneten werden über einen pulvermetallurgischen Sinterprozess hergestellt, bei dem das Ausgangsmaterial zunächst zu einem Metallpulver gemahlen und anschließend durch Wärmebehandlung zu einem Festkörper verdichtet wird. Bei der innovativen Methode, werden zudem zwei unterschiedlich feine Nd-Fe-B-Basis Pulver mit definierten magnetischen Eigenschaften gemischt. Dies ermöglicht, die SE an die entscheidenden Stellen in der Mikrostruktur des Werkstoffs zu konzentrieren und im sonstigen Volumen drastisch zu reduzieren. Zu definieren ist innerhalb des Projektes, die exakte chemische Zusammensetzung der 2-Pulverfraktion und damit deren magnetischen Eigenschaften sowie die praktikablen Partikelgrößenunterschiede. „Mit der neuen Methode können wir nicht nur die stark wachsende Nachfrage nach SE für Permanentmagneten in der Elektromobilität und der Windkraft bei gleichzeitiger Gewährleistung von stabileren Preisen moderieren, sondern auch die Umwelt schonen“, fasst Prof. Dr. Anke Weidenkaff, Institutsleiterin des Fraunhofer IWKS, die Vorteile der 2-Pulvermethode zusammen.
Das Projekt Scale2PM ist Teil der Fördermaßnahme des Bundesministeriums für Bildung und Forschung „Validierung des technologischen und gesellschaftlichen Innovationspotenzials wissenschaftlicher Forschung – VIP+“ und unterstützt Forscher*innen dabei, Forschungsergebnisse systematisch zu validieren und Anwendungsbereiche zu erschließen. Dahinter steht das Ziel der Bundesregierung, die vielfältigen Anwendungspotenziale exzellenter Forschung noch schneller und effizienter nutzbar zu machen und die Brücke zwischen akademischer Forschung und ihrer wirtschaftlichen Verwertung bzw. gesellschaftlicher Anwendung weiter zu stärken.
