Ohne teure »Trial&Error«-Versuche
So werden Permanentmagnete stärker
Magnete können strukturell sehr ähnlich aufgebaut sein, dennoch sind manche von ihnen sehr stark, andere schwach. Wo liegt der Unterschied? Forschern ist es jetzt gelungen, bis auf die Atomebene in das Material hineinzuschauen – und das Rätsel zu lösen.
Mit Hilfe moderner Bildgebungsverfahren machten die Forscher eines internationalen Forscherteams einzelne Atome sichtbar und konnten zeigen, dass Magnete mit hoher und mittlerer Leistung zwar strukturell ähnlich aussehen können, sich jedoch im Nanobereich in ihrer chemischen Zusammensetzung stark unterscheiden. Dazu kombinierten sie neuste magnetische Messmethoden mit verschiedenen Mikroskopieverfahren und mikromagnetischer Simulationen, um einen leistungsstarken Samarium-Kobalt-Magneten (Sm₂(Co,Fe,Cu,Zr)₁₇) zu untersuchen. Solche Permanentmagnete sind für ihre hervorragende thermische und chemische Stabilität bekannt.
Die Wissenschaftler, die innerhalb des DFG-Sonderforschungsbereichs SFB/TRR 270 »HoMMage« arbeiten, haben ihre neuen Erkenntnisse über effizientere Permanentmagnete in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.
Jobangebote+ passend zum Thema
| Seltenerdmagnete – auf die Nanostruktur kommt es an |
|---|
|
Seltenerdmagnete sind für Hochleistungs-Elektromotoren in Fahrzeugen, Drohnen und Zügen unverzichtbar und bilden das Rückgrat einer modernen, umweltfreundlichen Mobilität. Es handelt sich dabei nicht um einfache Metallblöcke, sondern um sorgfältig konzipierte Materialien mit einer komplexen inneren Nanostruktur, die aus winzigen Bausteinen, sogenannten Phasen, besteht. Jede Phase besitzt ihre eigene Kristallstruktur, Chemie und physikalische Beschaffenheit. Stärke und Stabilität der Magnete werden letztlich dadurch bestimmt, wie sich die Magnetisierung an den Grenzflächen dieser winzigen Bausteine verhält und dort entmagnetisierenden Kräften widersteht. Dies hat wiederum Auswirkungen auf die Effizienz und Zuverlässigkeit der Elektromotoren. |
Zwei Atomlagen Kupfer machen den Unterschied
Eine zentrale Entdeckung war, dass die stärksten Magnete an der Grenze einer kritischen inneren Phase eine ultradünne, kupferreiche Schicht – nur ein bis zwei Atome dick – aufweisen. Diese atomare Struktur wirkt wie eine effektive Verankerungsbarriere, unterdrückt die Entmagnetisierung und ermöglicht so einen zuverlässigen Betrieb unter extremen Bedingungen.
Korngrenzen sind nicht die Schwachstellen
Ein weiteres wichtiges Ergebnis betrifft die sogenannte Korngrenze, die in einem Kristall Bereiche mit unterschiedlicher Ausrichtung, aber ansonsten gleicher Kristallstruktur voneinander trennt. Sie galt lange Zeit als Schwachstelle für den Beginn der Entmagnetisierung.
Die Nanostruktur zu optimieren ist der Schlüssel
Nun stellten die Forschenden des SFB »HoMMage« jedoch fest, dass Korngrenzen die Magnetleistung nicht wesentlich beeinträchtigen, sondern das eigentliche Potenzial für Leistungssteigerungen in den kristallinen Teilen selbst liegt. Magnete werden demnach stärker und stabiler, wenn ihre innere Nanostruktur auf atomarer Ebene sorgfältig optimiert wird. Selbst kleinste Veränderungen im Aufbau und in der Verteilung können hier die magnetischen Eigenschaften des gesamten Materials signifikant verbessern.
Mit Defekten Magnete stärker machen
Beim Vergleich der Laborbeobachtungen mit mikromagnetischen Computermodellen erkannten die Forschenden sogenannte »ideale Defekte«, die für den stabilsten und stärksten Zustand des Magneten verantwortlich sind. Diese theoretischen Erkenntnisse helfen zu erklären, warum einige Bereiche des Magneten eine bessere Leistung erbringen als andere und liefern wertvolle Anhaltspunkte für die Entwicklung noch stärkerer und effizienterer Magnete in der Zukunft, sodass langwierige und kostspielige »Trial-and-Error«-Versuche nicht mehr erforderlich sind.
Die Studie unterstreicht, wie wichtig die Kombination komplementärer Expertise aus verschiedenen Institutionen und Disziplinen war, um ein umfassendes Verständnis davon zu erlangen, wie Magnete ihre Eigenschaften aus dem Zusammenspiel von Struktur und Zusammensetzung bis hin zur atomaren Ebene beziehen.
Interdisziplinäres Forschen bringt den Durchbruch
Diese Arbeit ist das Ergebnis einer engen wissenschaftlichen Zusammenarbeit zwischen Hochschulen und Industrie unter Beteiligung des Instituts für Materialwissenschaft, Technische Universität Darmstadt; Max-Planck-Institut für nachhaltige Materialien, Düsseldorf; Ernst-Ruska-Zentrum für Mikroskopie und Spektroskopie mit Elektronen, Forschungszentrum Jülich; School of Physics and Astronomy, Universität Glasgow; VACUUMSCHMELZE GmbH & Co. KG, Hanau; Fakultät für Physik und Zentrum für Nanointegration (CENIDE), Universität Duisburg-Essen, Duisburg. Das veröffentlichte Manuskript ist gleichzeitig eine Zusammenfassung eines Pilotprojekts, das im Rahmen des Sonderforschungsbereichs Transregional (SFB/TRR) 270 durchgeführt wurde.
Lesen Sie mehr zum Thema
Das könnte Sie auch interessieren
Astemo
Risikominimierung: Alternative zu Permanentmagnetmotoren
Einfacher Druck reicht aus
So lassen sich Weich- in Hartmagnete verwandeln
Neuer Magnettyp
Weniger Seltene Erden – hohe Feldstärke
Mahle
Magnetfreier E-Motor ohne seltene Erden
