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Seltene Erden Materialstruktur reduziert den Bedarf

| Redakteur: Bernd Otterbach

Seltene Erden wie Neodym sind teuer und wichtiger Bestandteil von Hochleistungsmagneten, die in den Elektromotoren von Fahrzeugen benötigt werden. Doch der Bedarf lässt sich reduzieren, wenn die Materialstruktur optimiert wird.

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Mit 150.000 Tonnen Jahresproduktion sind Seltene Erden gar nicht so selten. Tatsächlich sind sie eher schwer zu gewinnen, als dass sie wirklich selten sind. Einem Lieferengpass steht ein global rasant wachsender Bedarf gegenüber. Denn dank ihrer besonderen chemischen Eigenschaften sind Seltene Erden gesuchte Rohstoffe für die moderne Umwelttechnologie. Ein guter Grund für den Hauptexporteur, die Volksrepublik China, die Ausfuhr zu reduzieren - und für andere Länder, ihre Verwendung zu optimieren. Einen wesentlichen Beitrag dazu können High-End-Computersimulationen leisten, wie Berechnungen der Fachhochschule St. Pölten im Rahmen eines vom Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF) unterstützten Spezialforschungsbereiches zeigen. Diese werden auf der Jahrestagung der amerikanischen „Minerals, Metals & Materials Society“ in San Diego, Kalifornien, erstmals vorgestellt.

Simulationen zeigen Störungen der Kristallstruktur

Das Team an der FH St. Pölten studierte dafür die genaue Struktur von Neodym-Magneten. Neben der Seltenen Erde Neodym bestehen diese aus den Elementen Eisen und Bor. Zu den aktuellen Ergebnissen meint der Leiter des Studiengangs Industrial Simulations, Prof. Dr.Thomas Schrefl: „Unsere Simulationen zeigen Störungen der Kristallstruktur in Neodym-Magneten. Diese Störungen führen dazu, dass sich die Ausrichtung der Magnetisierung an dieser Stelle ändert. In einem sogenannten anisotropen Magneten wie dem Neodym-Magneten, in dem alle Teilchen dieselbe Ausrichtung der Magnetisierung haben sollen, schwächt das insgesamt die Leistung des Magneten.“

Die Simulationen des Teams zeigten, dass solche Störungen an den Grenzflächen der einzelnen Materialkörnchen insbesondere dann auftreten, wenn drei verschiedene Körner aufeinander treffen. An diesen Triplejunctions bildet sich ein nichtmagnetischer Einschluss. In dessen Nähe ist das Kristallgitter gestört. Gleichzeitig wirkt ein hohes entmagnetisierendes Feld, das den Magneten zusätzlich schwächt.

Mathematische Methoden zur Berechnung magnetischer Felder

Gefunden wurden diese Störungen durch Simulationen mikromagnetischen Materialverhaltens über mehrere Größendimensionen hinweg: vom atomaren bis zum sichtbaren Größenbereich. Herkömmliche Simulationsverfahren konnten diese Spannweite bisher nicht abdecken. Erst die Kombination einzelner mathematischer Berechnungsmethoden, wie schnelle Randelementeverfahren und Tensorgrid-Methoden, zur Berechnung der magnetischen Felder machten dies möglich. Eine Entwicklung, die das Team um Prof. Schrefl im Rahmen des Spezialforschungsbereichs Vienna Computational Materials Laboratory (SFB ViCoM) leisten konnte.

Das Material, das zukünftig in Magneten ersetzt bzw reduziert werden könnte, ist Dysprosium. Es muss im Hochleistungsmagnet zu einem höheren Anteil verwendet werden, als es durch das Mischungsverhältnis im Erz vorliegt (siehe auch http://blogs.forbes.com/energysource/). Durch Änderung der Gefügestruktur lassen sich aber auch ohne Dysprosium oder mit geringerem Anteil von Dysprosium und im Hochleistungsmagnet mit einem höheren Anteil die gewünschten Eigenschaften verbessern.

Zusammenhalt durch Bewegung

Der Sprecher des SFB, Prof. DI Dr. Georg Kresse vom Bereich Computational Materials Physics der Universität Wien, meint zu den Zielen des SFB: „Unser Ziel ist es, die korrelierte Bewegung von Elektronen genauer zu beschreiben. Diese elektronische Korrelation ist für den Zusammenhalt von Festkörpern und Molekülen hauptverantwortlich. Eine genaue Beschreibung ist daher wichtig, um die mechanischen, elektronischen und optischen Eigenschaften von Materialien präzise vorherzusagen.“

Zwölf Projektgruppen arbeiten an der Beschreibung von Materialeigenschaften

In insgesamt zwölf Projektgruppen sind dabei über 50 Forscher mit der Beschreibung von Materialeigenschaften befasst, die große Bedeutung für zahlreiche Zukunftstechnologien haben. Dazu zählen die Mikroelektronik genauso wie die Solartechnologie und Polymerherstellung. Aber auch zur Optimierung magnetischer und magneto-optischer Speicher sowie von Hochleistungsmagneten für Elektroautos oder Windturbinen leistet der SFB einen zukunftsweisenden Beitrag. Die Bedeutung der Arbeiten in diesem SFB des FWF reichen dabei durchaus über das rein Wissenschaftliche hinaus - wie die jüngsten Diskussionen um die Verfügbarkeit und strategische Bedeutung Seltener Erden zeigen. Ein überzeugender Beleg dafür, dass Erkenntnisse der Grundlagenforschung unvorhergesehen und rasch an Bedeutung gewinnen können.

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