Substitution Seltener Erden mithilfe der Nanotechnologie
Substitution Seltener Erden mithilfe der Nanotechnologie
Die Nachfrage nach leistungsfähigeren Werkstoffen wächst rasant. Da viele Rohstoffe knapp werden, arbeiten auch Siemens-Experten an Strategien zu deren Substitution – etwa mittels Nanotechnologie.
Grüne Produkte sind stark im Vormarsch, etwa Dauermagnete für Generatoren in Windturbinen. Sie basieren auf Metallen der Seltenen Erden, einer Gruppe von Elementen im Periodensystem, wie Neodym, Praseodym und Dysprosium.
Wenn sie optimal kombiniert werden, erreicht ihr Energieprodukt, das Maß für die speicherbare magnetische Energie, über 400 Kilojoule pro Kubikmeter (kJ/m3). Das ist ein so hoher Wert, dass darauf basierende Magnetsysteme, verglichen mit herkömmlichen Magnetwerkstoffen, wesentlich kleiner gestaltet oder mit erheblich höheren magnetischen Energien ausgestattet werden können.
Viele Hightech-Produkte wie Elektromotoren, Mobiltelefone, Laser oder LCD-Fernseher sind auf Seltene Erden angewiesen. Beispielsweise können elektrische Maschinen entweder mit zwei Spulensystemen oder mit einer Spule und einem Dauermagneten betrieben werden. Mit Permanentmagneten ausgestattete Synchronmaschinen stellen eine besondere Klasse von Elektromotoren oder Generatoren dar. Sie können bei Windturbinen zu erheblicher Gewichteinsparung führen.
„Mit herkömmlichen Werkstoffen wie Eisen und Kupfer muss hingegen ein hohes Gewicht in Kauf genommen werden“, erklärt Dr. Gotthard Rieger, Leiter der Forschung „Materialsubstitution und Recycling“ bei Siemens Corporate Technology (CT). Wesentlich eleganter sei es, die für das „Abgreifen“ der Rotationsenergie zuständigen Außenläufer solch einer Turbine mit dünnen Neodym-Eisen-Bor-Magneten auszustatten, die in den Spulen das elektrische Feld induzieren.
In konventioneller Ausführung wandelt ein massives Getriebe in Windenergieanlagen die relativ langsame Umdrehung in eine schnelle um, die dann im Generator den Strom erzeugt. Die neuen Konzepte sehen hingegen vor, dass mithilfe von Permanentmagneten auf Basis von Seltenen Erden auch aus der langsamen Drehung unmittelbar Strom erzeugt wird. Die Vorteile: Das Getriebe entfällt, es wird Gewicht eingespart, und auch der Wartungsaufwand verringert sich, wovon insbesondere der Offshore-Bereich profitiert.
Solche getriebelosen Turbinen von Siemens existieren bereits für eine Drei-Megawatt- und auch für eine 6-MW-Anlage. Doch da es sich bereits heute abzeichnet, dass Seltene Erden knapp werden, startete Siemens ein Projekt für neuartige leistungsfähige Permanentmagnete – ohne die wertvollen knappen Metalle. So sollen beispielsweise die direkt angetriebenen Windturbinen mittelfristig ganz ohne Seltene Erden (Dysprosium) auskommen, bereits heute konnte der Anteil auf 1% reduziert werden.
Die Lösung heißt Nanotechnologie. Ein Konzept im Rahmen dieses Projekts sieht vor, Motoren gänzlich ohne Seltene Erden zu entwerfen. Heute schon existieren Dauermagnete auf Basis von Eisenoxiden mit Zusätzen von anderen Oxiden.
Das Problem: Diese gesinterten Keramikmagnete weisen ohne weitere Vorbehandlung zunächst im Durchschnitt ein um den Faktor zehn kleineres Energieprodukt auf als Selten-Erd-Magnete. Sie sind daher in vielen Motor- und Generatoranwendungen nicht einsetzbar.
Um trotzdem ohne Seltene Erden auszukommen, arbeitet ein Siemens-Team an einem neuartigen Material auf Basis einer Eisen-Kobalt-Verbindung, in der nanometerkleine magnetische Stäbchen wie an einer Perlenschnur aufgereiht in einer Matrix fixiert sind. „Aus solchen Nanostrukturen könnten wir gezielt einen optimierten Dauermagneten herstellen und längerfristig eine Alternative zu Seltenen Erden schaffen“, glaubt Rieger.
Bei Siemens in München gibt es einen ersten Laboraufbau, um derartige neue Magnetwerkstoffe zu synthetisieren und zu untersuchen. „Im Prinzip ist Eisen ein hervorragender Magnetwerkstoff“, argumentiert der Experte Rieger. Ob das Energieprodukt dieser Werkstoffe einmal an das der Selten-Erd-Magnete heranreichen oder es gar übertreffen könnte, lässt sich zum gegenwärtigen Zeitpunkt nicht absehen.
* Dr. Rolf Froböse ist ein deutscher Chemiker, Wissenschaftsjournalist und Buchautor
