Die Suche nach der „grünen“ Lösung

Für das Erreichen der Klimaziele sind eine große Zahl von Dauermagneten nötig. Diese sollen künftig ohne kritische Elemente wie Seltene Erden auskommen.

Von Markus Mittermüller

Haben Sie schon einmal von Permanentmagneten gehört? Wahrscheinlich nicht. Dabei haben wir beinahe ständig mit ihnen zu tun. Sie begegnen uns im Auto – zum Beispiel beim Scheibenwischer oder der Zentralverriegelung – und sind Bestandteile unserer Handys, Computer oder auch von Windrädern. Ihren Namen haben die Dauermagneten von ihrer Eigenschaft, ein gleichbleibendes Magnetfeld behalten zu können. Im Gegensatz zu Elektromagneten, bei denen dafür elektrische Leistung aufgewendet werden muss. Das schnelle Wachstum der Windkraft- und Elektromobilitätssektoren hat zu einer stark gestiegenen Nachfrage nach diesen hochleistungsfähigen Permanentmagneten geführt. Ein Generator eines Windkraftwerks enthält zum Beispiel bis zu zwei Tonnen Neodym-Eisen-Bor Magnete. Auch der Motor und Generator eines Hybridautos enthält rund ein Kilogramm magnetisches Material.

Das Problem dabei: Zur Herstellung dieser Neodym-Eisen-Bor-Magnete sind Seltene Erden notwendig, die derzeit fast ausschließlich von China abgebaut werden. Die begrenzten globalen Ressourcen an Seltenerdelementen erfordern daher die Entwicklung reduzierter oder seltenerdfreier Permanentmagnete. Durch welche Materialien können die Seltenen Erden also ersetzt werden?

Diese Frage steht im Zentrum des Forschungsprojekts „Towards the digital twin of a permanent magnet“, an dem die Universität für Weiterbildung Krems und das Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (IFW Dresden) beteiligt sind. Das Ziel dieses Projekts ist es, einen Digitalen Zwilling von seltenerdfreien Permanentmagneten herzustellen.

Als vielversprechender Favorit unter den Materialien geht Mangan-Aluminium ins Rennen. „Mangan-Aluminium hat gute Eigenschaften. Vor einigen Jahren wurde schon damit experimentiert, dann ist es wieder etwas in Vergessenheit geraten“, erklärt der Projektverantwortliche Markus Gusenbauer vom Zentrum für Modellierung und Simulation.

Digitaler Zwilling

Um zu einem Digitalen Zwilling zu gelangen, ist zuerst eine vollständige, quantitative Beschreibung der Mikrostruktur in drei Dimensionen nötig. Gleichzeitig benötigen die Forscher_innen detaillierte Kenntnisse über die Rolle der verschiedenen Komponenten der Mikrostruktur bei der Bestimmung der magnetischen Eigenschaften. „Mangan-Aluminium hat viele Kristallfehler, welche die magnetischen Eigenschaften beeinflussen. Durch unterschiedliche Herstellungsmöglichkeiten – zum Beispiel durch Erhöhung der Hitze oder des Drucks – können jene Kristallfehler gepusht werden, die die magnetische Wirkung erhöhen“, sagt Gusenbauer. Das IFW Dresden führt dabei die Experimente durch, den Bereich der Simulationen deckt die Universität für Weiterbildung Krems ab.

Maschinelles Lernen

Ob ein Magnet gut oder schlecht funktioniert, wird anhand von Simulationsmodellen getestet. Der Digitale Zwilling wird evaluiert, indem er in der Simulation einer bestimmten Magnetfeldhistorie ausgesetzt wird und die Ergebnisse mit dem Experiment verglichen werden. Mit Hilfe von maschinellem Lernen wird der Zusammenhang von Experiment und Simulation hergestellt und ein realistisches Modell von Mangan-Aluminium-Magneten erzeugt.

„Der Vorteil maschineller Lernmodelle liegt darin, dass damit Grenzen im Experiment und in der Simulation übersprungen werden können. Gleichzeitig entwickelt sich der Digitale Zwilling selbst weiter, indem er lernt, die Fehler in den Simulationen zu korrigieren. Denn jedes Simulationsmodell ist nur eine Vereinfachung oder Annäherung an die Realität“, so der Forscher.

Reduktion Seltener Erden

Auch wenn es gelingt, Permanentmagnete mit Mangan-Aluminium zu erzeugen, werden Seltene Erden dennoch weiter benötigt werden. Der Grund liegt darin, dass die neuen Magnete auf jeden Fall schwächer sein werden und daher nur in kleineren Motoren oder Generatoren eingesetzt werden können. „Den Einsatz Seltener Erden reduzieren zu können, wäre aber schon ein großer Fortschritt“, meint Gusenbauer. Sollte die Entwicklung von Permanentmagneten mit Mangan-Aluminium funktionieren, könnten Magnete auch mit anderen Materialsystemen nach der gleichen Methode hergestellt werden.

MARKUS GUSENBAUER

DI (FH) Dr. Markus Gusenbauer ist wissenschaftlicher Projektmitarbeiter am Department für Integrierte Sensorsysteme der Universität für Weiterbildung Krems, wo er am Zentrum für Modellierung und Simulation zu magnetischen Fragestellungen im Bereich der Biomedizin forscht. Er promovierte an der TU Wien.

ECKDATEN DES PROJEKTS

Towards the digital twin of a permanent magnet
Fördergeber: FWF
Laufzeit: März 2022 – Februar 2025
Partner: Universität für Weiterbildung Krems
Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (IFW Dresden)