Magnete auf Ferritbasis für eine umweltfreundliche Wirtschaft der Zukunft
Das EU-finanzierte Projekt AMPHIBIAN entwickelte erfolgreich ein patentiertes Schwungrad – ein mechanisches Gerät zur effizienten Speicherung von Energie – sowie dauerhaft magnetisches Material, das ohne Seltenerdmaterial hergestellt wurde. „Wir hoffen, dass dank unserer Ergebnisse Verbundwerkstoffe aus Ferrit-Metall-Nanodraht als leistungsstarker Kandidat für den Ersatz von Seltenerdmaterial unterbreitet werden“, sagt Projektkoordinator Adrián Quesada vom Nationalen Forschungsrat Spaniens. „Angesichts der vielen Umweltvorteile durch die Verwendung von Ferriten hoffen wir allgemein, dass unsere Gesamtstrategie zur Verbesserung von Ferritmagneten in Zukunft mehr Aufmerksamkeit erhält.“ Seit Abschluss des Projekts im Dezember 2019 arbeitet das AMPHIBIAN-Konsortium mit einem in Großbritannien ansässigen Unternehmen an der Entwicklung des ersten Windkraftanlagengenerators auf Ferritbasis und ohne Seltenerdmaterial. „Das Potenzial hier ist riesig, da für Windkraftanlagen normalerweise Tonnen von seltenen Erden benötigt werden“, erklärt Quesada. „Wir möchten auch Fahrzeugkomponenten aus seltenen Erden durch unsere Nanodraht-Verbundwerkstoffe ersetzen.“
Ein wichtiges Alltagsmaterial
Ein Dauermagnet ist ein Material, das spontan selbst ein Magnetfeld erzeugen kann, ohne dass ein Strom durch ihn geleitet werden müsste. Diese einzigartige Eigenschaft macht ihn sehr nützlich für alltägliche Anwendungen wie Lautsprecher und Mikrofone sowie Festplatten und Sensoren. „Mechanische Energie kann in elektrische Energie umgewandelt werden und umgekehrt“, fügt Quesada hinzu. „Deshalb kommen Dauermagnete in Generatoren und Motoren zum Einsatz. Auf dem Weg in eine grünere Zukunft wird die Nachfrage nach Magneten zur Energieerzeugung in Windkraftanlagen und Motoren von Elektroautos drastisch zunehmen.“ Die Nachfrage nach Dauermagneten hat jedoch auch zu Herausforderungen geführt. Die besten Magnete enthalten Seltenerdmineralien, und die Beschaffung dieser Elemente ist mit Kosten-, Lieferketten- und Umweltproblemen verbunden. „Diese Mineralien gehören in die Kategorie der von uns als kritisch bezeichneten Rohstoffe“, sagt Quesada. „Es existiert ein klarer Bedarf, Alternativen für seltene Erden zu finden, insbesondere bei bestimmten Anwendungen, die nur eine mäßige Leistung erfordern. Dies würde unsere Abhängigkeit von kritischen Materialien verringern.“
Nachhaltige Energie für die Zukunft
Das Hauptziel des AMPHIBIAN-Projekts war es, die Eigenschaften von Magneten auf Ferritbasis zu verbessern und deren Wirksamkeit in Energiespeichergeräten, sogenannten Schwungrädern, zu demonstrieren. „Wir haben Ferrite als Hauptmaterial gewählt, da dieses Material leicht verfügbar, umweltfreundlicher und kostengünstiger ist“, fügt Quesada hinzu. Das Team, bestehend aus Forschenden im Bereich Materialwissenschaft, Physikerinnen und Physikern, Theoretikerinnen und Theoretikern, Chemikerinnen und Chemikern sowie Fachkräften aus dem Ingenieurbereich, identifizierte zunächst optimale Partikelgrößen, -formen und -anordnungen, um die Gesamteigenschaften der neuartigen Magnete zu verbessern. Erste Tests ergaben, dass die Größe der Partikel wesentlich kleiner als erwartet sein mussten, sodass das Team nanoskalige Partikel verwenden musste. „Diese waren in großen Mengen viel schwieriger zu produzieren“, sagt Quesada. „Wir haben dieses Problem jedoch überwunden, indem wir unsere Anstrengungen und Ressourcen auf die Herstellung von Nanostrukturen konzentriert und mit kleineren Prototypen gearbeitet haben.“ Das Endergebnis ist ein neuartiges Schwungrad, das mit einem stark reduzierten Magnetfeld funktioniert, sowie ein Verbundmagnet auf der Basis von Ferriten und metallischen Nanodrähten. „Diese erfüllen unsere Ziele im Hinblick auf die Leistungsverbesserung“, sagt Quesada. „Das neuartige Schwungrad wird voraussichtlich bis 2022 auf den Markt gebracht, und beide Ergebnisse wurden patentiert.“ Darüber hinaus wurden Magnetfliesen für Badezimmer und Küchen aus recycelten Ferritpulvern sowie ein Softwarepaket zur Simulation der Eigenschaften und der Partikelrotation magnetischer Verbundwerkstoffe entwickelt. Die Kommerzialisierung beider Produkte ist ebenfalls im Gange.
Schlüsselbegriffe
AMPHIBIAN, Mineralien, metallisch, nachhaltig, Windkraftanlage, Energie, Schwungrad, Magnet, Nanodraht, Ferrit, Auto
