Der Investorentag von Tesla am 1. März begann mit einem weitschweifigen, detaillierten Diskurs über Energie und Umwelt, bevor er in eine Reihe von größtenteils vorhersehbaren Ankündigungen und Prahlereien überging. Und dann, aus dem Nichts, kam eine absolute Bombe: „Wir haben unsere nächste Antriebseinheit, die einen Permanentmagnetmotor verwendet, so konzipiert, dass sie überhaupt keine Seltenerdelemente verwendet“, erklärte Colin Campbell, Power-Director bei Tesla. Zugtechnik.
Es war eine verblüffende Enthüllung, die die meisten Experten für Permanentmagnetismus misstrauisch und ratlos zurückließ. Alexander Gabay, Forscher an der University of Delaware, sagt rundheraus: „Ich bin skeptisch, dass in naher Zukunft irgendein Nicht-Seltenerd-Permanentmagnet in einem Synchron-Traktionsmotor verwendet werden könnte.“ Und an der Universität Uppsala in Schweden erklärt die Physikerin Alena Vishina: „Ich bin mir nicht sicher, ob es möglich ist, nur Materialien ohne seltene Erden zu verwenden, um einen leistungsstarken und effizienten Motor herzustellen.“
Das Problem hier ist die Physik, die nicht einmal Tesla ändern kann.
Und auf einer kürzlich abgehaltenen Magnetkonferenz fragte Ping Liu, Professor an der University of Texas in Arlington, andere Forscher, was sie von Teslas Ankündigung hielten. „Niemand versteht das ganz“, berichtet er. (Tesla antwortete nicht auf eine E-Mail mit der Bitte um Ausarbeitung von Campbells Kommentar.)
Teslas technisches Können sollte niemals unterschätzt werden. Aber auf der anderen Seite hat das Unternehmen – und insbesondere sein CEO – eine Geschichte von sporadischen sensationellen Behauptungen, die nicht aufgehen (wir warten zum Beispiel immer noch auf das 35.000 US-Dollar teure Model 3).
Das Problem hier ist die Physik, die nicht einmal Tesla ändern kann. Permanentmagnetismus tritt in bestimmten kristallinen Materialien auf, wenn die Elektronenspins einiger Atome im Kristall gezwungen werden, in die gleiche Richtung zu zeigen. Je mehr dieser ausgerichteten Spins, desto stärker der Magnetismus. Ideal sind dabei Atome, deren Atomkern in sogenannten 3D-Orbitalen von ungepaarten Elektronen umschwärmt wird. Die Spitzen sind Eisen mit vier ungepaarten 3D-Elektronen und Kobalt mit drei.
Aber 3D-Elektronen allein reichen nicht aus, um superstarke Magnete herzustellen. Wie Forscher vor Jahrzehnten entdeckten, kann die magnetische Stärke erheblich verbessert werden, indem dem kristallinen Gitter Atome mit ungepaarten Elektronen im 4f-Orbital hinzugefügt werden – insbesondere die Seltenerdelemente Neodym, Samarium und Dysprosium. Diese 4f-Elektronen verstärken eine Eigenschaft des Kristallgitters, die als magnetische Anisotropie bezeichnet wird – tatsächlich fördern sie das Anhaften der magnetischen Momente der Atome an den spezifischen Richtungen im Kristallgitter. Dies wiederum kann ausgenutzt werden, um eine hohe Koerzitivkraft zu erreichen, die wesentliche Eigenschaft, die einen Permanentmagneten magnetisiert bleiben lässt. Außerdem können die ungepaarten 4f-Elektronen durch mehrere komplexe physikalische Mechanismen den Magnetismus des Kristalls verstärken, indem sie die Spinausrichtung der 3d-Elektronen im Gitter koordinieren und stabilisieren.
Seit den 1980er Jahren dominiert ein Permanentmagnet auf Basis einer Verbindung aus Neodym, Eisen und Bor (NdFeB) Hochleistungsanwendungen, darunter Motoren, Smartphones, Lautsprecher und Windturbinengeneratoren. Eine Studie von Roskill Information Services in London aus dem Jahr 2019 ergab, dass mehr als 90 Prozent der in Fahrzeugantriebsmotoren verwendeten Permanentmagnete NdFeB waren.
Also, wenn nicht Seltenerd-Permanentmagnete für Teslas nächsten Motor, welche dann? Spekulierende Experten waren sich einig: Ferrit-Magnete. Unter den bisher erfundenen Nicht-Seltenerd-Permanentmagneten befinden sich nur zwei in Großserienproduktion: Ferrite und ein anderer Typ namens Alnico (Aluminium-Nickel-Kobalt). Tesla wird Alnico nicht verwenden, ein halbes Dutzend Experten, die von kontaktiert wurden IEEESpektrum beharrte. Diese Magnete sind schwach und, was noch wichtiger ist, die weltweite Versorgung mit Kobalt ist so angespannt, dass sie weniger als 2 Prozent des Permanentmagnetmarktes ausmachen.
Es gibt mehr als zwanzig Permanentmagnete, die keine oder nur wenige Seltenerdelemente verwenden. Aber keines davon hat außerhalb des Labors Wirkung gezeigt.
Ferritmagnete, die auf einer Form von Eisenoxid basieren, sind billig und machen fast 30 Prozent des Marktes für Permanentmagnete nach Umsatz aus. Aber auch sie sind schwach (eine Hauptanwendung ist das Zuhalten von Kühlschranktüren). Ein wichtiger Leistungsindikator eines Permanentmagneten ist sein maximales Energieprodukt, gemessen in Megagauss-Oersted (MGOe). Sie spiegelt sowohl die Stärke eines Magneten als auch seine Koerzitivfeldstärke wider. Für den in Fahrmotoren von Kraftfahrzeugen üblicherweise verwendeten NdFeB-Typ liegt dieser Wert im Allgemeinen bei etwa 35 MGOe. Bei den besten Ferritmagneten liegt er bei etwa 4.
„Selbst wenn Sie den leistungsstärksten Ferritmagneten bekommen, haben Sie eine Leistung, die etwa fünf- bis zehnmal unter der von Neodym-Eisen-Bor liegt“, sagt Daniel Salazar Jaramillo, ein Magnetforscher am baskischen Zentrum für Materialien, Anwendungen und Nanostrukturen Spanien. Im Vergleich zu einem Synchronmotor, der mit NdFeB-Magneten gebaut wurde, ist ein Motor auf Basis von Ferritmagneten viel größer und schwerer, viel schwächer oder eine Kombination aus beidem.
Natürlich gibt es mehr als zwanzig andere Permanentmagnete, die keine oder nur wenige Seltenerdelemente verwenden. Aber keines davon hat außerhalb des Labors Wirkung gezeigt. Die Liste der Attribute, die für einen kommerziell erfolgreichen Permanentmagneten erforderlich sind, umfasst eine hohe Feldstärke, eine hohe Koerzitivfeldstärke, eine Toleranz gegenüber hohen Temperaturen, eine gute mechanische Festigkeit, eine einfache Herstellung und die fehlende Abhängigkeit von seltenen, giftigen oder aus anderen Gründen problematischen Elementen . Alle Kandidaten heute versäumen es, eines oder mehrere dieser Kästchen anzukreuzen.
Eisennitrid-Magnete, wie dieser vom Start-up Niron Magnetics, gehören zu den vielversprechendsten einer aufstrebenden Generation von Permanentmagneten, die keine Seltenerdelemente verwenden.Niron Magnetics
Aber geben Sie ihm noch ein paar Jahre Zeit, sagen einige Forscher, und ein oder zwei davon könnten sehr gut durchbrechen. Zu den vielversprechendsten: Eisennitrid, Fe16N2. Niron Magnetics, ein Startup aus Minneapolis, kommerzialisiert jetzt eine Technologie, die Anfang der 2000er Jahre von Jian Ping Wang an der University of Minnesota nach früherer Arbeit bei Hitachi mit Mitteln von ARPA-E entwickelt wurde. Nirons Executive Vice President, Andy Blackburn, sagte Spektrum dass das Unternehmen beabsichtigt, sein erstes Produkt Ende 2024 auf den Markt zu bringen. Blackburn sagt, es werde ein Permanentmagnet mit einem Energieprodukt über 10 MGOe sein, für den er unter anderem Anwendungen in Lautsprechern und Sensoren erwartet. Wenn es gelingt, wird es der erste neue kommerzielle Permanentmagnet seit NdFeB vor 40 Jahren und der erste kommerzielle Nicht-Seltenerd-Permanentmagnet seit Strontiumferrit, dem besten Ferrittyp, vor 60 Jahren.
Dem ersten Angebot von Niron wird laut Blackburn im Jahr 2025 ein Magnet mit einem Energieprodukt über 30 MGOe folgen. Dafür macht er eine ziemlich kühne Vorhersage: „Es wird einen genauso guten oder besseren Fluss haben als Neodym. Es hat die Koerzitivkraft eines Ferrits und den Temperaturkoeffizienten von Samarium-Kobalt – besser als NdFeB. Wenn es dem Magneten wirklich gelingt, all diese Attribute zu vereinen (ein großer Wenn), wäre es sehr gut für den Einsatz in Traktionsmotoren von Elektrofahrzeugen geeignet.
Es wird noch mehr kommen, erklärt Blackburn. „All diese neuen technischen Fähigkeiten im Nanomaßstab haben es uns ermöglicht, Materialien zu schaffen, die vor 20 Jahren unmöglich gewesen wären“, sagt er.
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