Forscher der University of Cambridge berichten in Zusammenarbeit mit Kollegen in Österreich, dass Tetrataenit, ein „kosmischer Magnet“, der Millionen von Jahren braucht, um sich auf natürliche Weise in Meteoriten zu entwickeln, möglicherweise anstelle von Seltenerdmaterialien in Magneten verwendet werden kann.
Früher waren Versuche, Tetrataenit im Labor herzustellen, von extremen und unpraktischen Methoden abhängig, aber die Forscher sagen, dass sie einen Weg gefunden haben, diese früheren Techniken durch die Verwendung von Phosphor zu umgehen. In einer in der Zeitschrift veröffentlichten Forschungsarbeit Fortgeschrittene Wissenschaftschlagen sie vor, dass es eine Möglichkeit gibt, Tetrataenit künstlich und im Maßstab ohne spezielle Behandlung oder teure Techniken herzustellen.
„Seltene Erden“ ist ein irreführender Begriff, der unter Kennern der organischen Chemie als Insiderwitz gilt. Es bezieht sich auf eine Gruppe von Elementen im Periodensystem. „Edelgase“ ist ein weiterer Begriff, der außer für organische Chemiker wenig Bedeutung hat. In Wahrheit sind „Seltene Erden“-Elemente im Großen und Ganzen gar nicht so selten, aber sie zu extrahieren und zu reinigen ist eine Herausforderung.
Seltenerdmaterialien und Permanentmagnete
Der eigentliche Grund, warum diese Nachricht wichtig ist, ist, dass Seltenerdmaterialien entscheidend für die Herstellung der Permanentmagnete sind, die ein wesentlicher Bestandteil der Elektromotoren sind, von denen der Übergang zu einer emissionsfreien Wirtschaft abhängt.
Der Knackpunkt ist, dass China mit seiner Vorliebe für die Dominanz so vieler Herstellungsprozesse für die Herstellung von Elektrofahrzeugen, Solarmodulen und anderen kritischen Technologien, die zur Bewältigung eines überhitzten Planeten benötigt werden, über 80 % des Weltmarktes für Seltene Erden kontrolliert.
Wir kennen die Gefahr, Tyrannen in Saudi-Arabien und Russland zu erlauben, unseren Zugang zu fossilen Brennstoffen zu kontrollieren. Diese Erfahrung deutet darauf hin, dass es in Zukunft ähnlich gefährlich sein könnte, China den Torwächter für die neuen Technologien zu überlassen, die wir brauchen, um weg von der Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu gelangen.
Professor Lindsay Greer von der Abteilung für Materialwissenschaften und Metallurgie der Universität Cambridge erzählt Netzwerk für Innovationsnachrichten, „Seltene-Erden-Lagerstätten gibt es anderswo, aber der Bergbaubetrieb ist sehr störend, da man eine riesige Menge an Material extrahieren muss, um eine kleine Menge an seltenen Erden zu erhalten. Angesichts der Umweltauswirkungen und der starken Abhängigkeit von China wurde dringend nach alternativen Materialien gesucht, die keine Seltenen Erden benötigen.“
Eine der vielversprechendsten Alternativen für Permanentmagnete ist Tetrataenit, eine Eisen-Nickel-Legierung mit geordneter Atomstruktur. Das Material bildet sich über Millionen von Jahren, wenn ein Meteorit langsam abkühlt. Dies bietet den Eisen- und Nickelatomen genügend Zeit, sich innerhalb der Kristallstruktur in einer bestimmten Stapelfolge anzuordnen, was zu einem Material mit ähnlichen magnetischen Eigenschaften wie Seltenerdmagneten führt.
In den 1960er Jahren wurde Tetrataenit künstlich gebildet, indem Eisen-Nickel-Legierungen mit Neutronen gesprengt wurden, wodurch die Atome die gewünschte geordnete Stapelung bilden konnten. Diese Technik ist jedoch für die Massenproduktion ungeeignet. „Seitdem sind Wissenschaftler fasziniert davon, diese geordnete Struktur zu erhalten, aber es hat sich immer so angefühlt, als wäre es etwas, das sehr weit weg ist“, sagt Greer.
Im Laufe der Jahre haben viele Wissenschaftler versucht, Tetrataenit im industriellen Maßstab herzustellen, aber die Ergebnisse waren enttäuschend. Jetzt haben Greer und seine Kollegen von der Österreichischen Akademie der Wissenschaften und der Montanuniversität in Leoben eine mögliche Alternative gefunden, die diese extremen Methoden vermeidet.
Genauer hinsehen
Das Team untersuchte die mechanischen Eigenschaften von Eisen-Nickel-Legierungen, die geringe Mengen Phosphor enthalten, der in Meteoriten vorhanden ist. Innerhalb dieser Materialien befand sich ein Phasenmuster, das auf die erwartete baumartige Wachstumsstruktur hindeutete, die Dendriten genannt 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 währenddessen beendete in Cambridge und arbeitet jetzt am Italian Institute of Technology in Genua.
Das Beugungsmuster von Tetrataenit sieht zunächst wie die für Eisen-Nickel-Legierungen erwartete Struktur aus, nämlich ein ungeordneter Kristall, der als Hochleistungsmagnet nicht von Interesse ist. Aber als Ivanov genauer hinsah, identifizierte er den Tetrataenit.
Nach Angaben des Teams ermöglicht Phosphor den Eisen- und Nickelatomen, sich schneller zu bewegen, sodass sie die erforderliche geordnete Stapelung bilden können, ohne Millionen von Jahren warten zu müssen. Sie konnten die Tetrataenit-Bildung um 11 bis 15 Größenordnungen beschleunigen, indem sie Eisen, Nickel und Phosphor in den richtigen Mengen mischten. Dadurch konnte sich das Material in einem einfachen Guss innerhalb weniger Sekunden formen.
„Das Erstaunliche war, dass keine besondere Behandlung erforderlich war. Wir haben die Legierung einfach geschmolzen, in eine Form gegossen und hatten Tetrataenit“, sagt Greer. „Die frühere Ansicht im Feld 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 Denkweise über dieses Material dar.“
Obwohl die Forschung vielversprechend ist, bedarf es weiterer Arbeit, um zu entscheiden, ob sie für Hochleistungsmagnete geeignet sein wird. Das Team hofft, mit großen Magnetherstellern zusammenarbeiten zu können, um dies zu ermitteln.
Das wegnehmen
Warum schreiben wir über Themen, die das Laborstadium noch nicht verlassen haben? Denn die Durchbrüche, die heute in Labors auf der ganzen Welt geschehen, werden für den Übergang weg von der Verbrennung fossiler Brennstoffe als Grundlage der globalen Wirtschaft und der menschlichen Existenz von entscheidender Bedeutung sein.
Während Sie dies lesen, wird in Hunderten von Labors auf der ganzen Welt an neuen Arten von Batterien geforscht, die leichter, leistungsfähiger, schneller aufladbar, kostengünstiger und umweltfreundlicher sind. Wir wissen nicht, wo die Durchbrüche stattfinden werden, aber wir wissen, dass sie kommen werden, so wie diese ersten groben Benzin- und Dieselmotoren mit Verbrennungsmotor zu den hochentwickelten Maschinen wurden, die heute Hunderte von Millionen von Fahrzeugen antreiben.
Es gibt Elektromotoren, die nicht auf Permanentmagneten angewiesen sind, aber im Allgemeinen sind sie teurer als Permanentmagnetmotoren. Wenn es eine Möglichkeit gibt, ihre Leistung mit kostengünstigen Materialien zu duplizieren, die allen Herstellern ohne Weiteres zur Verfügung stehen, ohne dass ein Land die Lieferkette dominiert, sind das gute Nachrichten für uns alle.
Die Chancen stehen gut, dass Elektroautos bis 2030 einen Quantensprung nach vorne gemacht haben werden, da immer mehr neue Innovationen auf den Markt kommen. Wir können es kaum erwarten!
Vorgestelltes Bild: Tetrataenit, von Rob Lawinsky (CC BY-SA 3.0)
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