Forscher haben ein potenzielles neues Verfahren zur Herstellung von Hochleistungsmagneten entdeckt, die in Windkraftanlagen und Elektroautos verwendet werden, ohne die Notwendigkeit von Seltenerdelementen, die fast ausschließlich aus China stammen.
Ein Team der University of Cambridge hat in Zusammenarbeit mit Kollegen aus Österreich einen neuen Weg gefunden, um einen möglichen Ersatz für Seltenerdmagnete zu finden: Tetrataenit, ein „kosmischer Magnet“, der Millionen von Jahren braucht, um sich auf natürliche Weise in Meteoriten zu entwickeln.
Frühere Versuche, Tetrataenit im Labor herzustellen, stützten sich auf unpraktische, extreme Methoden. Aber die Zugabe eines gemeinsamen Elements – Phosphor – könnte bedeuten, dass es möglich ist, Tetrataenit künstlich und in großem Maßstab ohne spezielle Behandlung oder teure Techniken herzustellen.
Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift veröffentlicht Fortgeschrittene Wissenschaft. Die Technologie wurde von Cambridge Enterprise, der Kommerzialisierungsabteilung der Universität, und der Österreichischen Akademie der Wissenschaften zum Patent angemeldet.
Hochleistungsmagnete sind eine wichtige Technologie für den Aufbau einer kohlenstofffreien Wirtschaft, und die besten derzeit verfügbaren Permanentmagnete enthalten Seltenerdelemente. Trotz ihres Namens sind Seltene Erden in der Erdkruste reichlich vorhanden. Allerdings hat China nahezu ein Monopol auf die globale Produktion: 2017 wurden 81 % der Seltenen Erden weltweit aus China bezogen. Andere Länder wie Australien bauen diese Elemente ebenfalls ab, aber da die geopolitischen Spannungen mit China zunehmen, gibt es Bedenken, dass die Versorgung mit seltenen Erden gefährdet sein könnte.
„Seltene-Erden-Lagerstätten gibt es anderswo, aber der Bergbaubetrieb ist sehr störend: Man muss eine riesige Menge an Material extrahieren, um eine kleine Menge Seltener Erden zu gewinnen“, sagte Professor Lindsay Greer vom Department of Materials Science & Metallurgy in Cambridge, der die leitete Forschung. „Zwischen den Umweltauswirkungen und der starken Abhängigkeit von China wurde dringend nach alternativen Materialien gesucht, die keine Seltenen Erden benötigen.“
Tetrataenit, eine Eisen-Nickel-Legierung mit einer bestimmten Atomstruktur, ist eine der vielversprechendsten dieser Alternativen. Tetrataenit bildet sich über Millionen von Jahren, wenn ein Meteorit langsam abkühlt, was den Eisen- und Nickelatomen genügend Zeit gibt, sich in einer bestimmten Stapelfolge innerhalb der Kristallstruktur anzuordnen, was letztendlich zu einem Material mit magnetischen Eigenschaften führt, die denen von Seltenerdmagneten nahe kommen.
In den 1960er Jahren konnten Wissenschaftler Tetrataenit künstlich bilden, indem sie Eisen-Nickel-Legierungen mit Neutronen beschossen, wodurch die Atome die gewünschte geordnete Stapelung bilden konnten, aber diese Technik ist nicht für die Massenproduktion geeignet.
„Seitdem sind Wissenschaftler fasziniert davon, diese geordnete Struktur zu erhalten, aber es hat sich immer wie etwas angefühlt, das sehr weit weg ist“, sagte Greer. Trotz vieler Versuche im Laufe der Jahre war es noch nicht möglich, Tetrataenit auch nur annähernd im industriellen Maßstab herzustellen.
Jetzt haben Greer und seine Kollegen von der Österreichischen Akademie der Wissenschaften und der Montanuniversität in Leoben eine mögliche Alternative gefunden, die ohne Millionen Jahre Kühlung oder Neutronenbestrahlung auskommt.
Das Team untersuchte die mechanischen Eigenschaften von Eisen-Nickel-Legierungen, die geringe Mengen Phosphor enthalten, ein Element, das auch in Meteoriten vorkommt. Das Muster der Phasen innerhalb dieser Materialien zeigte die erwartete baumartige Wachstumsstruktur, die als Dendriten bezeichnet wird.
„Für die meisten Menschen wäre es dort geendet: nichts Interessantes in den Dendriten zu sehen, aber als ich genauer hinsah, sah ich ein interessantes Beugungsmuster, das auf eine geordnete Atomstruktur hinweist“, sagte Erstautor Dr. Yurii Ivanov, der die Arbeit abgeschlossen hat während seiner Zeit in Cambridge und arbeitet jetzt am Italian Institute of Technology in Genua.
Das Beugungsbild von Tetrataenit sieht auf den ersten Blick aus wie die für Eisen-Nickel-Legierungen zu erwartende Struktur, nämlich ein ungeordneter Kristall, der als Hochleistungsmagnet nicht von Interesse ist. Es bedurfte Ivanovs genauerem Hinsehen, um den Tetrataenit zu identifizieren, aber trotzdem sagt Greer, es sei seltsam, dass ihn vorher niemand bemerkt habe.
Die Forscher sagen, dass Phosphor, der in Meteoriten vorhanden ist, es den Eisen- und Nickelatomen ermöglicht, sich schneller zu bewegen, sodass sie die notwendige geordnete Stapelung bilden können, ohne Millionen von Jahren warten zu müssen. Durch Mischen von Eisen, Nickel und Phosphor in den richtigen Mengen konnten sie die Tetrataenitbildung um 11 bis 15 Größenordnungen beschleunigen, sodass sie sich beim einfachen Gießen innerhalb weniger Sekunden bildet.
„Was so erstaunlich war, war, dass keine spezielle Behandlung erforderlich war: Wir haben einfach die Legierung geschmolzen, sie in eine Form gegossen, und wir hatten Tetrataenit“, sagte Greer. „Die frühere Ansicht auf dem Gebiet war, dass man Tetrataenit nicht bekommen kann, wenn man nicht etwas Extremes tut, weil man sonst Millionen von Jahren auf seine Bildung warten müsste. Dieses Ergebnis stellt eine völlige Veränderung unserer Einstellung zu diesem Material dar .“
Während die Forscher eine vielversprechende Methode zur Herstellung von Tetrataenit gefunden haben, ist noch weitere Arbeit erforderlich, um festzustellen, ob sie für Hochleistungsmagnete geeignet sein wird. Das Team hofft, daran mit großen Magnetherstellern zu arbeiten.
Die Arbeit könnte auch eine Revision der Ansichten darüber erzwingen, ob die Bildung von Tetrataenit in Meteoriten wirklich Millionen von Jahren dauert.
Direkte Bildung von hartmagnetischem Tetrataenit in massiven Legierungsgussstücken, Fortgeschrittene Wissenschaft (2022). DOI: 10.1002/advs.202204315