Seltene Erden sind gefragt. Damit wächst die Abhängigkeit von Importen vor allem aus China. Forscher haben nun Wege identifiziert, um unabhängiger von Seltenen Erden zu sein. Dabei setzen sie auf Substitution, Effizienz und Recycling.
Ein Elektromotor, der millionenfach im Getriebe von Autos eingesetzt wird, war eine der Referenzen für das Fraunhofer-Team. Die darin verbauten Permanentmagnete enthalten Seltene Erden – den Bedarf dafür konnten die Fraunhofer-Forscher durch eine Kombination verschiedener Ansätze signifikant senken.
Fraunhofer IFAM
Die Metalle der Seltenen Erden stecken in Elektromotoren, Windkraftgeneratoren, Smartphones und Energiesparlampen. Zu den Seltenerdmetallen gehören beispielsweise Neodym, Dysprosium, Europium oder Cer. Ohne sie scheint eine nachhaltige, vernetzte Zukunft undenkbar. Doch wie der Name suggeriert, ist ihre regionale Verfügbarkeit stark begrenzt, der Abbau aufwendig und kostspielig. Dieser Engpass hat auch eine politische Dimension: "Da die Weltproduktion an Metallen der Seltenen Erden zu 85 Prozent in China erfolgt, das den Export außerdem über Quotenregelungen steuert, hat deren Verfügbarkeit auch eine wirtschaftspolitische Relevanz", schreibt Springer-Autor Ralf B. Wehrspohn im Kapitel Leitprojekt "Kritikalität Seltener Erden" aus dem Buch Ressourceneffizienz, das einen Einblick in die wichtigsten aktuellen Projekte und Initiativen der Fraunhofer-Gesellschaft im Bereich der Effizienztechnologien bietet.
Eines dieser Projekte ist das Leitprojekt "Kritikalität Seltener Erden", das im bereits erwähnten, gleichnamigen Buchkapitel detailliert beschrieben wird. In dem Projekt haben acht Fraunhofer-Institute den effizienteren Einsatz von Seltenerdmetallen untersucht. Wehrspohn ist Sprecher des Leitprojekts und Leiter des Fraunhofer-Instituts für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen (IMWS). Zu den erarbeiteten Effizienzlösungen gehören optimierte Fertigungsverfahren, Ansätze für Recycling und neue Materialien, die Seltene Erden ersetzen können. Am Beispiel von Elektromotoren zeigen die Fraunhofer-Experten, dass sich der Bedarf an Seltenen Erden auf ein Fünftel des heutigen Wertes senken lässt.
Auslöser für das Projekt war laut den Forschern ein Preisschock: Der Seltene-Erden-Markführer China hat Anfang 2011 einen Exportstopp verhängt, die Preise schnellten in die Höhe und die Verwundbarkeit der deutschen Industrie im Hinblick auf die Versorgungssicherheit mit diesen Rohstoffen wurde offensichtlich. Deshalb zielten die Forscher darauf ab, die verfügbaren Seltenen Erden klüger zu nutzen und Ersatzmaterialien zu suchen.
Neodym und Dysprosium lassen sich massiv reduzieren
Ersatz sollte vor allem für die Elemente Dysprosium und Neodym gefunden werden, die beispielsweise für Magnete benötigt werden, wie sie etwa in Elektromotoren zum Einsatz kommen. Als Referenz habe das Fraunhofer-Team deshalb zwei Elektromotoren gewählt, einen Kleinantrieb sowie einen Traktionsantrieb. Kombiniere man alle im Projekt entwickelten Möglichkeiten, Seltene Erden einzusparen oder zu ersetzen, lasse sich der Bedarf an Dysprosium und Neodym in diesen Motoren auf bis zu 20 Prozent der ursprünglich benötigten Mengen senken, so die Forscher.
"Unser Ziel war, den Bedarf an Seltenen Erden an diesen Benchmark-Motoren zu halbieren. Das haben wir deutlich übertroffen, indem wir verschiedene technische Ansätze kombiniert haben", sagt Wehrspohn. Er 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."
Dabei waren die deutschen Wissenschaftler nicht die einzigen, die Lösungen gesucht haben, aus der Abhängigkeit von chinesischen Rohstoffexporten zu entkommen. Auch in Japan wurde geforscht. So hat der Autobauer Toyota nach eigenen Angaben den weltweit ersten hitzebeständigen Elektromotormagneten entwickelt, der ohne Terbium und Dysprosium und mit weniger Neodym auskommt. Bis zur Serienreife soll es aber noch dauern.
Substitution, Effizienz, Recycling
Die Fraunhofer-Partner haben indes Konzepte entwickelt, wie bereits bei der Konstruktion von Elektromotoren die spätere Wiederverwendung oder das Recycling von Seltenen Erden mitgedacht werden kann. Sie setzten außerdem bei den Herstellungsprozessen von Magneten an und fanden Lösungen, wie dabei weniger Ausschuss entsteht. Möglich werde das beispielsweise durch Spritzgussverfahren, bei dem das Magnetmaterial gemeinsam mit einem Kunststoff-Binder direkt in die gewünschte Form gebracht und anschließend gesintert wird. So sollen zugleich aufwendige Nachbearbeitungen entfallen.
In einem weiteren Teilprojekt wurde ein Verfahren entwickelt, um Permanentmagnete etwa aus Elektroschrott, Windrädern oder Autos wiederverwerten zu können. Sie zerfallen dabei durch die Behandlung mit reinem Wasserstoff in kleinste Partikel und werden dann erneut gegossen oder gesintert. Die recycelten Magnete sollen 96 Prozent der Leistungsfähigkeit von neuen Magneten erreichen. Weltweit einzigartig sei laut den Forschern das im Leitprojekt entwickelte Verfahren, Dysprosium durch eine Kombination aus Spark-Plasma-Sintering (SPS) und Heißpressen in Korngrenzenphasen einzubringen und somit anisotrope Magnete für vielfältige Anwendungen bei Elektromotoren herzustellen.
Auch die Konstruktion der Referenz-Elektromotoren wurde optimiert: Wenn die Motoren im Betrieb nicht so heiß werden, können Magnete mit geringerer Temperaturstabilität und damit mit geringerem Dysprosium-Anteil eingesetzt werden. Nicht zuletzt wurden Materialien gesucht und gefunden, 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 sollen die neuen Verbindungen bereits sehr gute magnetische Leistungen aufweisen. Alle identifizierten Substitutionsmaterialien seien zudem hinsichtlich ihrer gegenwärtigen und erwarteten Versorgungssicherheit analysiert worden.
Wie geht es weiter? "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 Wehrspohn.