Damit ließen sich solche Magnete ohne Seltene Erden realisieren, berichtet das Forschungsteam im Fachjournal „Advanced Science“. Zur Gruppe der Seltenen Erden zählen 17 chemische Elemente, die für viele Hightechprodukte wie Handys unverzichtbar sind. Zudem spielen sie in Elektromotoren oder Windturbinen eine wichtige Rolle, wo sehr starke kleine Dauermagnete benötigt werden. Für deren Produktion sind derzeit Neodym und andere Seltenerdelemente konkurrenzlos.
Das wird aus zwei Gründen kritisch gesehen: Einerseits ist der Abbau der entsprechenden Erze mit enormem Aufwand und großen Umweltbelastungen verbunden: Es muss eine riesige Menge an Material abgebaut werden, um kleine Mengen Seltener Erden zu erhalten. Andererseits ist ihre aufwendige Förderung fest in chinesischer Hand – neun von zehn Permanentmagneten kommen derzeit aus China.
Millionen Jahre zur Bildung
Daher wird intensiv nach Alternativen gesucht: Eine natürliche Legierung aus Eisen und Nickel namens „Tetrataenit“ könnte eine sein. Das Problem: Das Mineral wurde bisher nur in Meteoriten entdeckt und braucht üblicherweise Millionen von Jahren, um sich zu bilden.
„Die Struktur von Tetrataenit entsteht normalerweise nur, wenn ein Eisen-Nickel-Gemisch nach seiner Entstehung extrem langsam abkühlt, mit einer Geschwindigkeit von weniger als 0,01 Grad Celsius pro Jahr“, so Baran Sarac vom Erich-Schmid-Institut für Materialwissenschaft der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) in Leoben in einer Aussendung. Die Eisen- und Nickelatome bilden so eine bestimmte Kristallstruktur, die zu einem Material mit magnetischen Eigenschaften führt, die jenen aus Seltenerdelementen ähneln.
Zum Patent angemeldet
Sarac und seinem Kollegen Jürgen Eckert ist es nun gemeinsam mit Kollegen von der Cambridge Universität in Großbritannien gelungen, diesen Prozess im Labor durch die Zugabe von kleinen Mengen an Phosphor und Kohlenstoff zu einer Schmelze aus Eisen und Nickel massiv zu beschleunigen. „In einem Vakuum haben wir ein bis drei Millimeter lange Zylinder gegossen, die in wenigen Millisekunden auskühlen“, so Sarac. Durch das Phosphor können sich die Eisen- und Nickelatome schneller bewegen und so die notwendige Kristallstruktur in dieser kurzen Zeit bilden.
Die Wissenschaftler hoffen, dass der einfache Herstellungsprozess es ermöglicht, in relativ kurzer Zeit eine Produktion im industriellen Maßstab zu erreichen. Sie haben die neue Methode zum Patent angemeldet und Kontakt mit Start-ups und großen Unternehmen aufgenommen, die Interesse an der Methode haben.