Am 21. Dezember 2020 eröffnete mit einer internationalen online Opening-Ceremony offiziell das Christian Doppler-Forschungslabor for Magnet Design Through Physics Informed Machine Learning. Die SimulationsexpertInnen des Departments für Integrierte Sensorsysteme der Donau-Universität Krems werden über die kommenden sieben Jahre gemeinsam mit Toyota an Methoden forschen, durch Simulation und den Einsatz künstlicher Intelligenz seltene Erden für Magnete als wichtige Bestandteile von Elektromotoren zu ersetzen oder deutlich zu reduzieren. Fördergeber des neuen CD-Labors ist das Bundesministerium für Digitalisierung und Wirtschaftsstandort (BMDW).
Wirtschafts- und Forschungsministerin Dr. Margarete Schramböck begrüßt die Gründung des neuen CD-Labors: „Elektromobilität braucht starke Elektromotoren, starke Elektromotoren brauchen starke Magnete – und diese wiederum seltene Erden. Mit wissenschaftlicher Forschung auf höchstem Niveau wird dieses CD-Labor dazu beitragen, die Abhängigkeit von diesen Rohstoffen zu reduzieren. Die internationale Beteiligung zeigt einmal mehr die Stärke des Forschungsstandort Österreich.“
Mag. Johanna Mikl-Leitner, Landeshauptfrau von Niederösterreich: "Klimaschutz und Nachhaltigkeit sind uns heute und am Weg in die Zukunft wichtige Anliegen. Daher ist die Gründung des Christian-Dopplerlabors für Magnetdesign mit der Unterstützung viele Partner ein wichtiger Schritt für die physikalische, weltweite Grundlagenforschung im Bereich der Mobilität. Darüber hinaus ist die Einrichtung aber auch ein wichtiger Bestandteil des Forschungslandes Niederösterreich. Denn mit der Wissenschaftsachse von Klosterneuburg nach Krems, St. Pölten über Tulln bis nach Wr. Neustadt leisten wir einen erheblichen Anteil an der internationalen Forschungsarbeit auf so gut wie allen relevanten Gebieten der Wissenschaft."
Anlässlich der Eröffnung hob Univ.-Prof. Dr. Viktoria Weber, Vizerektorin für Forschung der Donau-Universität Krems die Rolle der Wissenschaft und der Universitäten in der Bewältigung großer gesellschaftlicher Herausforderungen wie des Klimawandels hervor. „Das neue Christian Doppler-Forschungslabor ist ein wichtiger Beitrag für eine umweltfreundliche Mobilität durch anwendungsorientierte Forschung. Die Bewältigung solcher großen Themenstellungen durch Forschung erfordert die internationale Zusammenarbeit wie im neuen CD-Labor“.
Wirtschaftsministerium fördert neues CD-Labor
Das dritte CD-Labor an der Donau-Universität Krems ist am Department für Integrierte Sensorsysteme, Leitung Univ.-Prof. Dr. Hubert Brückl, mit Sitz am Technologie- und Forschungszentrum TFZ in Wiener Neustadt angesiedelt. Das CD-Labor wird von Univ.-Doz. DI Dr. Thomas Schrefl geleitet. Das Labor hat eine Laufzeit von sieben Jahren bis 2027 und ist eine Kooperation der Donau-Universität Krems und der Toyota Motor Corporation, die die Hälfte der Kosten trägt, die andere Hälfte übernimmt das Bundesministerium für Digitalisierung und Wirtschaftsstandort im Rahmen der Christian Doppler Forschungslabors.
Neue Strategien beim Materialdesign für Magnete
Ziel des CD-Labors sind neue Strategien beim Materialdesign für Magnete von Elektromotoren für die E-Mobilität, um Versorgungsengpässe von Seltenerdelementen vorzubeugen. Simulationsmodelle auf Supercomputern ermöglichen dabei unter Einsatz künstlicher Intelligenz Optimierungen der Magnete.
Hochleistungsmagnete spielen eine Schlüsselrolle bei grünen Technologien wie der Elektromobilität. Die wachsende Nachfrage nach Elektrofahrzeugen wird jedoch zu einem Engpass bei seltenen Erden wie Neodym und schweren Seltenerdelemente wie Terbium und Dysprosium führen. Sie sind wesentliche Bestandteile für hochtemperaturfähige Permanentmagneten, wie sie in E-Autos verbaut sind.
Eigens entwickelte Softwaresuite als Basis
Hier setzt das CD-Labor an: Um den Einsatz an seltenen Erden zu reduzieren, sollen maschinelle Lernmethoden angewandte werden, die das computergestützte Magnetdesign durch die Integration physikalischer Modelle über alle relevanten Längenskalen hinweg unterstützt. Das CD-Labor baut dabei auf einer vom Department für Integrierte Sensorsysteme selbst entwickelten Software Suite auf, das ist ein Zusammenschluss mehrerer Computerprogramme. Diese Software Suite, gestützt auf die Rechenleistung vieler parallel arbeitender Computer, erlaubt das Studium von Magnetisierungsprozessen auf der Basis der kleinsten magnetischen Einheiten, den Kern-Schale-Körnern. So kann deren Eigenschaften durch maschinelles Lernen auf die Ebene des gesamten Magneten extrapoliert werden.
Mithilfe solcher mikromagnetischen Simulationen können die ForscherInnen berechnen, welche Magnetfeldstärke nötig ist, um einen Permanentmagneten zu entmagnetisieren (das sogenannte Koerzitivfeld). Ziel ist es, ein Regressionsmodell zu trainieren, welches das Koerzitivfeld eines Korns mit dessen Geometrie und Seltenerdgehalt verknüpft.
Reduktion seltener Erden als Ziel
Thomas Schrefl: „Die vorgeschlagene Methodik birgt ein zweifaches Optimierungspotenzial: Auf mikroskopischer Ebene werden die chemische Zusammensetzung und die Geometrie des Kern-Schale-Korns optimiert. Auf der Geräteebene ordnet die Multimaterialoptimierung hochkoerzitive und teure Materialien nur Regionen zu, die starken Entmagnetisierungsfeldern ausgesetzt sind. Damit können seltene Erden stark reduziert werden.“
Anwendungsorientierte Grundlagenforschung
In Christian Doppler Labors wird anwendungsorientierte Grundlagenforschung auf hohem Niveau betrieben, hervorragende WissenschafterInnen kooperieren dazu mit innovativen Unternehmen. Für die Förderung dieser Zusammenarbeit gilt die Christian Doppler Forschungsgesellschaft international als Best-Practice-Beispiel.
Christian Doppler Labors werden von der öffentlichen Hand und den beteiligten Unternehmen gemeinsam finanziert. Wichtigster öffentlicher Fördergeber ist das Bundesministerium für Digitalisierung und Wirtschaftsstandort (BMDW).
