Fraunhofer-Projekt zu »Seltene Erden« Zusammenarbeit für Substitution, Effizienz und Recycling

Am Beispiel eines Traktions-Elektromotors zeigten die Fraunhofer-Forscher, dass sich der Bedarf an Seltenen Erden reduzieren lässt.
Am Beispiel eines Traktions-Elektromotors zeigten die Fraunhofer-Forscher, dass sich der Bedarf an Seltenen Erden reduzieren lässt.

Seltene Erden zählen als Bestandteil vieler Hightech-Produkte aktuell zu den wichtigsten Rohstoffen. Für einen effizienteren Einsatz haben acht Fraunhofer-Institute in einem Gemeinschaftsprojekt neue Lösungen entwickelt – optimierte Fertigungsverfahren, Ansätze für Recycling und neue Materialien.

Im Jahr 2013 startete das Fraunhofer-Leitprojekt »Kritikalität Seltener Erden«. Acht Fraunhofer-Institute arbeiteten seither gemeinsam daran, einen effizienteren Einsatz der Rohstoffe zu erreichen. Auslöser des Projekts war damals ein Preisschock: China förderte rund 90 Prozent der Seltenen Erden für den Weltmarkt und verhängte damals einen Exportstopp – die Preise schnellten in die Höhe und die Verwundbarkeit der deutschen Industrie im Hinblick auf die Versorgungssicherheit mit den Rohstoffen wurde offensichtlich. 

Deshalb zielten die Forscher darauf ab, die verfügbaren Seltenen Erden effizienter einzusetzen und auch Ersatzmaterialien zu suchen – vor allem für die Elemente Dysprosium und Neodym, die beispielsweise für Magnete in Elektromotoren eingesetzt werden. Als Referenz dienten dabei zwei E-Motoren, ein Kleinantrieb und ein Traktionsantrieb.

Prof. Ralf B. Wehrspohn, Leiter des Fraunhofer IMWS und Sprecher des Leitprojekts, betont die Relevanz der gewählten Beispiele: »In einem durchschnittlichen Auto sind heute Dutzende solcher Motoren enthalten, die Fensterheber, Scheibenwischer oder Ölpumpe bewegen. Sehr viele dieser Motoren funktionieren mit Permanentmagneten, in denen Seltene Erden stecken. Durch immer neue Assistenzsysteme und nicht zuletzt durch den Trend zur Elektromobilität wird ihre Zahl künftig deutlich steigen. All das zeigt, wie wichtig ein effizienter Umgang mit diesen wertvollen Rohstoffen ist.«

Die Fraunhofer-Institute analysierten die Rohstoffmärkte für Seltene Erden und entwickelten zugleich Konzepte, wie bereits beim Design von Elektroantrieben die spätere Wiederverwendung oder das Recycling von Seltenen Erden berücksichtigt werden kann. Zudem wurde für den Herstellungsprozess ein Spritzgussverfahren mit weniger Ausschuss erarbeitet, bei dem das Magnetmaterial gemeinsam mit einem Kunststoff-Binder direkt in die gewünschte Form gebracht und anschließend gesintert wird – so entfallen zugleich Nachbearbeitungen. 

In einem weiteren Teilprojekt wurde ein Verfahren entwickelt, um Permanentmagnete aus Elektroschrott, Windrädern oder Autos wiederverwerten zu können. Durch den Einsatz von reinem Wasserstoff zerfallen die Produkte in kleinste Partikel und werden anschließend erneut gegossen oder gesintert. Die recycelten Magnete erreichen dadurch 96 Prozent der Leistungsfähigkeit von neuen Magneten.

Auch das Design der Elektroantriebe wurde überarbeitet: Durch Herabsenken der Betriebstemperatur können Magnete mit geringerer Temperaturstabilität und damit mit geringerem Dysprosium-Anteil zum Einsatz kommen. Zusätzlich wurden Materialien eingesetzt, die ebenfalls als Magnete dienen können, aber keine Seltenen Erden enthalten. In Hochdurchsatzverfahren haben die Forscher dabei zahlreiche Materialkombinationen getestet und neue Legierungen nachgewiesen, die statt Seltener Erden unter anderem Cer enthalten, das bei der Förderung von Neodym anfällt. Als »Flakes« weisen die neuen Verbindungen bereits gute magnetische Eigenschaften auf. Alle Materialien wurden zudem hinsichtlich der gegenwärtigen und künftigen Versorgungssicherheit betrachtet.

Die Kombination aller im Projekt entwickelten Möglichkeiten reduziert den Bedarf an Dysprosium und Neodym in den E-Motoren auf bis zu 20 Prozent der ursprünglich benötigten Menge. 

An dem Leitprojekt »Kritikalität Seltener Erden« sind nachfolgende Fraunhofer-Institute beteiligt:

  • Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC
  • Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU
  • Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM
  • Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS
  • Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF
  • Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI
  • Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM
  • Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB