Leitprojekt Seltene Erden

Das Fraunhofer-Leitprojekt »Kritikalität Seltener Erden» stellt sich vor.

Fraunhofer legt Lösungen für optimierten Einsatz Seltener Erden vor

Seltene Erden Neodym Dysprosium
© Fraunhofer IFAM

Ein Elektromotor (links), der millionenfach im Getriebe von Autos eingesetzt wird, war eine der Referenzen für das Fraunhofer-Team. Die darin verbauten Permanentmagnete (Mitte Viertelringmagnet, rechts Magnete in Flusssammler-Anordnung) enthalten Seltene Erden – den Bedarf dafür konnten die Fraunhofer-Forscher durch eine Kombination verschiedener Ansätze signifikant senken.

Seltene Erden haben für die deutsche Industrie eine wichtige Bedeutung, da sie in vielen Hightech-Produkten verbaut werden. Insbesondere in der Automobil-Industrie werden Seltenerdmetalle besonders häufig eingesetzt: Sie befinden sich in Motoren, die zum Beispiel Scheibenwischer, Fensterheber oder Ölpumpen bewegen. Allerdings sind diese Rohstoffe knapp verfügbar und werden derzeit meist aus China importiert, was die deutsche Industrie vor eine erhebliche Abhängigkeit stellt.

Acht Fraunhofer-Institute haben in insgesamt fünf Teilprojekten an einem effizienteren Einsatz dieser wertvollen Elemente geforscht. In dem im Jahr 2013 gestarteten Leitprojekt »Kritikalität Seltener Erden« haben die Fraunhofer-Institute IWM, IFAM, IWU, IGB, LBF, IWKS und ISI unter der Gesamtleitung des Fraunhofer IMWS nach Lösungen für einen minimierten Einsatz bis hin zum Ersatz verschiedener Seltenerd-Materialien in Permanentmagneten für Elektromotoren gesucht. Dazu gehörten unter anderem die Analyse und Optimierung von Fertigungsverfahren und Recyclingansätze sowie die Bestimmung von neuen Materialien, um Seltene Erden zu substituieren. Am Beispiel von Elektromotoren zeigten die Fraunhofer-Experten, dass der Bedarf an Seltenen Erden auf ein Fünftel des heutigen Einsatzwertes senken lässt.

Das Ziel war, die verfügbaren Seltenen Erden effizienter zu nutzen und vor allem Ersatzmaterialien für die Elemente Dysprosium und Neodym zu finden – Elemente mit häufiger Verwendung in Elektromotoren. Um dies zu erreichen, deckte die Arbeit im Leitprojekt verschiedene Nutzungsaspekte von Magneten in elektrischen Motoren von der molekularen Simulation bis hin zur endformnahen Fertigung der Magnete, Charakterisierung von Benchmark-Motoren sowie passende Demonstratoren unter Nutzung neu entwickelter Technologien ab. Schließlich konnten sogar Rückgewinnungsverfahren der eingesetzten Seltenerdmetalle nach der Nutzung definiert werden.

Auf Basis einer Analyse der Rohstoffmärkte haben die beteiligten Projektpartner Ideen entwickelt, um schon bei der Konzeption von Elektromoren das Recycling der verbauten seltenen Erden zu ermöglichen. Darüber hinaus kann der Einsatz des Spritzgussverfahrens bei der Herstellung von Magneten den Ausschuss und die Nachbearbeitung deutlich reduzieren. Ein weiteres Teilprojekt widmete sich der Fertigung von Permanentmagneten aus beispielsweise Elektroschrott und Windrädern. Die Magnete erreichten 96 % der Leistungsfähigkeit neuer Magneten. Das im Leitprojekt entwickelte Verfahren, Dysprosium durch eine Kombination aus Spark-Plasma-Sintering (SPS) und Heißpressen in Korngrenzenphasen einzubringen, ist weltweit einzigartig. Dadurch ist es möglich, anisotrope Magnete für vielfältige Anwendungen bei Elektromotoren herzustellen. Ferner wurde neue Legierungen gefunden, die nicht auf Basis von seltenen Erden, sondern Cer gefertigt werden, und ebenfalls als Magnete eingesetzt werden können, sodass bei nicht so heißen Elektromotoren auch Magneten mit geringerer Temperaturstabilität einsetzbar sind.

»Wir sind mit den Ergebnissen des Leitprojekts äußerst zufrieden. Wir haben nicht nur hervorragende technische Lösungen entwickelt, sondern das Thema von der quantenphysikalischen Computersimulation von Magnetmaterialien über die endformnahe Fertigung von Magneten bis hin zur Rückgewinnung der eingesetzten Seltenerdmetalle nach der Nutzungsphase in den Blick genommen. Durch die auch im internationalen Maßstab einzigartige Breite und Tiefe der Kompetenzen haben wir sehr konkrete Fortschritte erzielt und weitere Ansatzpunkte für einen effizienteren Einsatz von Seltenen Erden und die Substitution identifiziert. Diese Ergebnisse wollen wir nun mit Unternehmen in den Markt bringen«, so der Leiter des Fraunhofer IMWS Ralph B. Wehrspohn.