Neue Materialien nach Maß

Neutron sucht Nano-Defekt

d'Lëtzebuerger Land vom 26.10.2012

Wer mit Neutronenstrahlen experimentieren will, muss bereit sein zu reisen. Nach Garching bei München, nach Berlin, nach Grenoble oder sogar bis ins australische Sydney. Die Anlagen, in denen in einem Reaktor Neutronen erzeugt werden, um damit Testobjekte zu bestrahlen, sind dünn gesät auf der Welt.

Wissenschaftler der Universität Luxemburg um den Physiker Andreas Michels sind in diesen Großanlagen immer wieder Experimentier-Gäste. Ihre Testobjekte sind Magnete; ihr Ziel ist, Magnetmaterialien zu verbessern. Beziehungsweise, zu verstehen, wie man die Magnete verbessern könnte.

So ein Vorhaben hat heutzutage sogar einen geostrategischen Aspekt. Die stärksten Dauermagnete bestehen aus einer Legierung, die Neodym, Eisen und Bor enthält. Entwickelt und patentiert wurde sie in den Achtzigerjahren von General Motors und Sumitomo. Doch: Neodym gehört zu jenen Elementen, die „Seltene Erden“ genannt werden. Was sie so selten macht, ist vor allem die rasant steigende Nachfrage.

Bereits zwischen 2003 und 2008 wuchs die weltweite Produktion dieser Supermagnete um fast das Dreifache und stieg von 22 660 auf 63 580 Tonnen. Ein Ende aber ist nicht wirklich abzusehen. Magnete werden „Energy materials“ genannt, denn ihr magnetisches Potenzial kann im physikalischen Sinne Arbeit verrichten. Kein Wunder, dass gerade die starken Magnete überaus gefragt für Energietechnologien sind. Kein Elektromotor in einem Hybrid- oder E-KFZ kommt ohne sie aus, besonders leistungsfähige  Windkraftanlagen ebenwenig. Schätzungen aus der Autobranche deuten an, wo die Reise hingehen dürfte: Gegenwärtig sind unter den rund 850 Millionen Autos, die weltweit auf den Straßen unterwegs sind, an die 2,5 Millionen Hybridfahrzeuge. Bis 2018 könnte ihre Zahl auf zehn bis 20 Millionen steigen. Doch schon in einem Prius, dem Hybrid-Pioniermodell von Toyota, sind laut Herstellerangaben 1,3 Kilogramm Neodym-Eisen-Bor-Legierung verbaut.

Folglich dürfte Neodym noch seltener werden. Dass alle Seltenen Erden derzeit vor allem in China gefördert und aufbereitet werden, hat bereits zu handelspolitischen Spannungen geführt. Dass die Produktion der Stoffe mit den exotischen Namen schwere Umwelt- und Gesundheitsbelastungen mit sich bringt, ist noch ein weiterer Grund, um mit den Seltenen Erden sparsamer umzugehen – und nach effizienteren Magneten zu suchen, wie Michels und sein Team das tun. Der nationale Forschungsfonds FNR fördert das Projekt, das Anfang 2010 startete und bis 2014 dauert, mit rund 1,4 Millionen Euro.

Doch Effizienzsteigerung ist leichter gesagt als getan. Die aktuell gebräuchlichen Super-Magnete werden nach dem klassischen Sinter-Verfahren hergestellt. Dabei werden die Metallbestandteile zu einem Pulver vermahlen und unter Wärmebehandlung in ihre Form gepresst. Gleichzeitig werden sie durch ein starkes äußeres Feld magnetisiert. Die Technologie sei „ausgereift“, sagt Michels. Bahnbrechende Änderungen seien von dort her kaum noch zu erwarten. Innerhalb eines Jahrhunderts habe man es von den ersten Magneten, die im Wesentlichen nur aus Stahl bestanden, bis zur Neodym-Eisen-Bor-Legierung geschafft. Durch den Leistungsgewinn, den das mit sich brachte, gelang es, einen Magneten gleicher Feldstärke um den Faktor 50-60 zu verkleinern.

Mit seinem Team geht Michels einen Weg, den international noch weitere Wissenschaftler verfolgen und den die Luxemburger Gruppe gemeinsam mit mehreren Partnern, darunter die Universität Melbourne und ein Hightech-Unternehmen im deutschen Jena, geht: Magnete durch Nano-Verbundmaterialien herzustellen. Im einfachsten Fall besteht ein solches Nano-Komposit aus einer so genannten weichmagnetischen Phase, Eisen, und einer hartmagnetischen Phase, der Neodym-Eisen-Bor-Legierung. „Dabei kommt es darauf an, dass die hartmagnetischen Bestandteile möglichst gut miteinander koppeln können“, erklärt Michels. Das wiederum stellt Anforderungen an die Dicke und damit auch an den Volumenanteil der weichmagnetischen Phase. Wenn in dem optimal zusammengesetzten Komposit der Anteil der relativ teuren Seltenen Erden möglichst klein bleibt – umso besser.

Solch ein Legierungs-Design vorzunehmen und zu verbessern führt bis an die Grundlagen des Magnetismus. Einen „guten“ Magneten zeichnet einerseits aus, dass er sich möglichst schwer um- oder entmagnetisieren lässt. Zweitens ist ein Magnet dann von besonderer Güte, wenn sein Material, nachdem es magnetisiert wurde, ein möglichst starkes Streufeld liefert. Beide Eigenschaften stehen in Beziehung zueinander, und je stärker sie sind, desto größer ist das energetische Potenzial des Magneten.

Was genau einen Festkörper magnetisch macht, ist aber weder leicht zu erklären noch zu messen. Festkörper-Magnetismus ist ein Quantenphänomen: Dabei haben die Elementarbestandteile der Atome im Material allesamt ein möglichst in die gleiche Richtung weisendes magnetisches Moment, den so genannten Spin. Dem Spin die gleiche und vor allem stabile Ausrichtung zu verleihen, klappt in manchen Materialien besser, in anderen schlechter; weshalb sich theoretisch jeder Stoff magnetisieren lässt und Magnetismus in der Natur häufiger vorkommt, als man denkt. Doch nur in wenigen Metallen und Legierungen lässt das magnetische Moment der Teilchen sich wirklich in die gleiche Ausrichtung zwingen. Und noch seltener bleibt der magnetisierte Zustand zum Beispiel auch bei höherer Betriebstemperatur erhalten – in Hybridautos ist das von einiger Bedeutung und hat zur Entwicklung noch komplexerer Legierungen geführt, die wiederum nicht ohne zusätzliche Seltene Erden auskommen.

„Was wir untersuchen, sind Defekte in der Nanostruktur der Magneten“, sagt Michels. Das sind die winzig kleinen Bereiche im Material, wo die Ausrichtung der Teilchen-Spins von einer gegebenen Vorzugsrichtung abweicht. Besonders interessant sind die Grenzflächen zwischen den Eisen- und den Neodym-Eisen-Bor-Phasen. An solchen Defekten, die in Nanokompositen besonders häufig auftreten, ändern sich die Materialparameter. Dann wird die Struktur der Spins gestört. Ein grundlegendes Verständnis des Zusammenhangs zwischen Defekt-Strukturen und den makroskopischen magnetischen Eigenschaften ist damit unerlässlich, wenn man moderne magnetische Materialien verstehen und weiterentwickeln will.
An dieser Stelle kommen aufwändige Analysen ins Spiel. Das „Arbeitspferd“ der Forschergruppe heißt Magnetometer und steht in einem Labor auf dem Campus Limpertsberg: In dem kniehohen Stahlbottich lässt sich in einem Vakuum und bei einer Temperatur von nur vier Grad über dem absoluten Nullpunkt in einer superleitenden Spule ein Magnetfeld von immenser Stärke erzeugen. In der 300 000 Euro teuren Anlage, von der weltweit nur an die hundert Stück in Betrieb sind, erfolgen die ersten Tests der Nano-Verbundmaterialien.
Will die Forschergruppe sehen, wie sich die Spins der Magnetbestandteile im einzelnen verhalten, geht sie auf Reisen zur Neutronenanalyse. Zum Beispiel ans Institut Laue-Langevin nach Grenoble, wo die stärkste Neutronenquelle der Welt steht. Dort werden die Materialproben bestrahlt, nachdem sie wärmebehandelt wurden, um ihre Kristallstruktur zu verändern. Neutronenstrahlen sind zur Untersuchung einerseits deshalb so gut geeignet, weil sie elektrisch neutral sind und sogar durch dicke Wände dringen. Andererseits verfügen sie über einen Spin, der sie sozusagen zu Elementar-Magneten macht. Gemessen wird dann, wie der Spin des Magnetmaterials den der Neutronenstrahlen an welcher Stelle in welche Richtung abzulenken versuchte.

Die bisherigen Ergebnisse sind vielversprechend: „Es scheint tatsächlich so zu sein, dass schon kleine Änderungen an der Nano-Struktur einen großen Einfluss auf die magnetischen Eigenschaften des Materials auf der Makroebene haben“, sagt Andreas Michels. Große Bedeutung hat dabei die Zusammenarbeit mit dem Jenaer Unternehmen Innovent, das eine Methode zur Berechnung der Verteilung der atomaren Spins in Festkörpern entwickelt hat. Damit lässt sich die Streuung von Neutronenstrahlen an den Testobjekten noch besser interpretieren.

Wie schnell die Untersuchungsergebnisse der Luxemburger Forscher und ihrer Partner zu neuartigen Magneten führen könnten, steht allerdings auf einem anderen Blatt: „Wenngleich der potenzielle praktische Nutzen auf der Hand liegt, ist unsere Arbeit in hohem Maße Grundlagenforschung“, resümiert Michels. Und was im Labor an gesicherten Erkenntnissen gewonnen wird, führt nicht gleich zu neuen Verfahren in der Industrie. Die Suche nach „Nano-Magneten“ aber wird derzeit weltweit mit sehr viel Eifer verfolgt – und schon dadurch angetrieben, dass ohne leistungsstarke Magnete so manche Hoffnung auf neue Energietechnologien eine Illusion zu bleiben droht.

Peter Feist
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