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Sonderforschungsbereich/Transregio 270 Die DNA der Super-Magnete

[04.10.2021]

„Keine E-Mobilität ohne Magnetwerkstoffe!“ oder „Keine Windkraft ohne Magnete!“ – solche Slogans vermisst man in der öffentlichen Diskussion über nachhaltige Energieversorgung. Magnete sind jedoch von fundamentaler Bedeutung. 2020 bewilligte die Deutsche Forschungsgemeinschaft den SFB/TRR 270 – dort beschäftigen sich TU Darmstadt, UDE, FZ Jülich und MPIE Düsseldorf mit dem „Hysterese-Design magnetischer Materialien für effiziente Energieumwandlung“. Neben Prof. Michael Farle als UDE-Standortsprecher sind weitere CENIDE-Mitglieder an dem Projekt beteiligt.

Im Bereich der nachhaltigen Energieversorgung hat sich in den vergangenen Jahren Wesentliches zum Besseren gewandelt. Und besonders im Alltag gibt es immer noch viele Bereiche, die von innovativer Forschung an Magnetwerkstoffen stark profitieren könnten. In Kühlschränken und Klimaanlagen zum Beispiel ist immer noch die 120 Jahre alte Gaskompressionskühlung Standard. Sie erfordert Kältemittel, die entflammbar oder giftig sind, die Ozonschicht der Erde schädigen und zur globalen Erwärmung beitragen. „Es ist schon erstaunlich, dass sich diese alte Technik trotz ihrer Nachteile so beharrlich gehalten hat“, sagt Prof. Oliver Gutfleisch von der TU Darmstadt. „Dabei sollte uns klar sein, dass die Energiewende vor allem auch eine Materialwende ist.“

Als Sprecher des SFB/TRR 270 setzt Gutfleisch mit seinen Mitstreiter:innen auf Materialien, deren Eigenschaften in unserem Alltag ebenfalls schon eine große Rolle spielen, aber in seinen Augen eine noch viel größere Rolle spielen müssten: Magnete. „Jeder von uns benutzt ständig 50 bis 100 Magnete, ohne sich dessen bewusst zu sein“, so der Forscher. Aber das sei erst der Anfang:

„Magnete werden in immer stärkerem Maße zum Schlüssel für Hightech-Felder wie E-Mobilität, Robotik, das Internet der Dinge, die Industrie 4.0. oder die nachhaltige Energiewirtschaft.“

Der Bereich der Windenergie zum Beispiel wächst global um rund zehn Prozent pro Jahr. Dabei wird pro Megawatt Leistung ungefähr eine halbe Tonne vom Hochleistungs­dauermagnetmaterial Nd-Fe-B benötigt. Hochgerechnet macht das für eine 10-Megawatt-Turbine in einer modernen „getriebelosen“ Offshore-Anlage immerhin fünf Tonnen – wenn sie auf eine energiefressende Übersetzung zur Anpassung der Umdrehungsgeschwindigkeit von der Rotornabe zur Generatorwelle verzichten kann. Aber auch im Motor eines E-Autos müssen circa zwei Kilogramm Magnetmaterial verarbeitet werden. Jede Effizienzsteigerung des Magnetwerkstoffes um ein Prozent würde die Reichweite eines E-Mobils um 20 km erhöhen. „Daran würde man sicherlich denken, wenn man im E-Mobil 19 km von der nächsten E-Tankstelle gestrandet ist.“ fügt Farle von der UDE hinzu.

Um das Beste aus den jeweiligen Materialien herauszuholen, müssten aber zunächst einmal die grundlegenden Mechanismen hinter den Vorgängen bis in die atomaren Skalen hinein – auf DNA Niveau sozusagen – besser verstanden werden. Der Schlüssel hierzu – magnetische Hysterese im Zusammenhang mit mikroskopischen Gegebenheiten (wie lokale chemische Zusammensetzungen, kristalline Strukturen) in Mehrelement-Legierungssystemen verstehen. Mit Hilfe modernster theoretischer und experimenteller Verfahren – beispielsweise unter Verwendung additiver Fertigungsmöglichkeiten – wird dieser Schlüssel gesucht, auch im SFB/TRR 270.

Weitere Informationen:
 https://www.tu-darmstadt.de/sfb270
Prof. Michael Farle, 0203 379 2075, michael.farle@uni-due.de