Alternative Magnete gegen den Rohstoffmangel

Statt Neodym und Co: Neue magnetische Materialien könnten künftig Hightech-Magnete aus Seltenerd-Metallen ersetzen. Forscher haben bereits erste Verbindungen identifiziert, die sich durch die Zugabe von Stoffen wie Magnesium oder Cobalt stark magnetisieren lassen. Diese Materialien könnten eine echte Alternative zu Permanentmagneten aus Seltenen Erden wie Neodym sein – und so die Nachfrage nach diesen knappen Rohstoffen verringern.

Magnete spielen für die moderne Technik eine wichtige Rolle: Sie stecken in Computerfestplatten, Stromgeneratoren und vielen anderen Elektronikbauteilen. Das Geheimnis der stärksten heute verfügbaren Magnete sind häufig sogenannte Seltene Erden. Metalle wie Neodym und Dysprosium besitzen besondere elektrische und magnetische Eigenschaften – ohne sie wären etliche Hightech-Produkte undenkbar.

Das Problem dabei: Diese begehrten Rohstoffe sind knapp und teuer, doch die Nachfrage wächst. Schon jetzt sagen Wissenschaftler daher für einige der Seltenerd-Metalle künftige Engpässe voraus. Zum anderen spielen aber auch geopolitische Aspekte eine Rolle. So hat China als Hauptexporteur von Seltenen Erden bei bestimmten Materialien nahezu eine Monopolstellung inne und kann den Handel mit ihnen entsprechend kontrollieren.

Alternativen für Neodym und Dysprosium

Aus diesem Grund suchen Forscher inzwischen nach Alternativen für Neodym und Co: Könnte man starke Permanentmagnete erschaffen, die mit besser verfügbaren Seltenen Erden auskommen oder vielleicht sogar gar kein Metall aus dieser Gruppe enthalten? Dieser Frage haben sich nun Thomas Lograsso vom Ames Laboratory des US-Energieministeriums und seine Kollegen gewidmet – und ihr Augenmerk dabei zunächst auf Paramagneten gerichtet. Diese Materialien werden schwach von magnetischen Feldern angezogen, sind aber nicht dauerhaft magnetisiert.

„Wir können solche Systeme sozusagen rehabilitieren und durch Zugabe bestimmter Materialien in einen Magneten verwandeln“, erklärt Lograsso. „Dafür starten wir mit Legierungen oder Verbindungen, die die richtigen Eigenschaften haben, um bei Raumtemperatur ferromagnetisch zu sein.“ Doch welche Stoffe verfügen über die gesuchten Merkmale?

Zwei vielversprechende Kandidaten

Um vielversprechende Kandidaten zu identifizieren, nutzten die Wissenschaftler einen computerbasierten Ansatz. Auf diese Weise konnten sie das magnetische Verhalten einer Vielzahl von Materialien vorhersagen und zudem herausfinden, ob sich diese für die Entwicklung von Feststoffmagneten eignen. „Dieser Ansatz hat sehr schnell zur Identifizierung einiger leistungsstarker Magnete geführt“, schreibt das Team.

So zeigten die Berechnungen unter anderem, dass das paramagnetische Ceriumcobalt CeCo3 durch Zugabe von Magnesium in einen Ferromagneten verwandelt werden kann. Und tatsächlich: Anschließende Experimente bestätigten dies, wie Lograsso und seine Kollegen berichten. Ein weiterer bei den Analysen identifizierter Kandidat ist CeCo5. Dieses Material ist zwar bereits ein starker Ferromagnet. Die Kalkulationen und Experimente offenbarten aber, dass diese Eigenschaft mit der richtigen Menge an Kupfer und Eisen weiter optimiert werden kann.

„Ökonomisch und ökologisch sinnvoll“

Mit diesen Zusätzen könnte CeCo5 eines Tages selbst starke Seltenerdmagnete wie Neodym und Dysprosium ersetzen, so die Prognose der Forscher. Der Vorteil daran: Streng genommen gehört Cerium zwar ebenfalls zur Klasse der Seltenen Erden. Anders als Neodym und Co ist es aber reichlich verfügbar und leicht zu beschaffen.

„Die stark nachgefragten und knappen Seltenerdmetalle ersetzen zu können, wäre sowohl aus ökonomischer als auch aus ökologischer Sicht sinnvoll“, sagt Lograsso. „Unsere modifizierten Cerium-Cobalt-Verbindungen sind zwar noch nicht so leistungsstark wie die stärksten Seltenerdmagnete, aber sie könnten für bestimmte Anwendungen trotzdem eine wertvolle Alternative darstellen.“

Darüber hinaus arbeiten er und seine Kollegen bereits an alternativen Magneten, die nicht auf Cerium oder anderen Metallen aus der Klasse der Seltenen Erden basieren. So experimentieren sie unter anderem mit Cobalt, um dem Eisengermanium Fe3Ge eine starke Magnetisierung zu verleihen. (American Chemical Society, 2019; Meeting)

Quelle: American Chemical Society