Hochleistungsmagnete vom Reißbrett

Effizientere Hart- und Weichmagnete, bessere magnetokalorische Funktionswerkstoffe – Forscher suchen auf nano-, mikro- und makroskopischer Ebene nach neuen Wegen des Werkstoff-Designs für Permanentmagnete.

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Bewegt man einen Permanentmagneten in einer Spule, wird eine elektrische Spannung erzeugt. Das von Michael Faraday 1821 entdeckte Phänomen war im Laufe von seither zwei Jahrhunderten Technikentwicklung Ansporn für die Erforschung immer neuer Magnetwerkstoffe. Im Zuge der Energiewende und dem vermehrten Einsatz von elektrischen Generatoren (Windräder) und Motoren (Elektroautos) gewinnt dieser Zweig der Werkstoffentwicklung aktuell an Relevanz: Windräder sollen einen möglichst hohen Ertrag liefern, Elektroautos energie- und rohstoffsparend unterwegs sein – und vor allem weit: Ein um 2 Prozent effizienterer Permanentmagnet führt zu 20 km mehr Reichweite. Oliver Gutfleisch, Professor für Funktionswerkstoffe an der TU Darmstadt und Sprecher des DFG-Sonderforschungsbereichs/Transregion 270 "Hysteresis design of magnetic materials for efficient energy conversion", unterstreicht mit dieser griffigen Relation die Bedeutung seines Forschungsgebietes.

Der SFB/TRR 270 zum Thema "Hysterese-Design magnetischer Materialien für effiziente Energieumwandlung" ging Anfang dieses Jahres an den Start. Beteiligte sind neben der TU Darmstadt, die Universität Duisburg-Essen, das Forschungszentrum Jülich und das Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE) in Düsseldorf. In den kommenden Jahren wollen die beteiligten Wissenschaftler ein tiefgehendes Verständnis der Hysterese in Volumenmagneten erlangen. Ziel ist die Entdeckung neuer dauermagnetischer und magnetokalorischer Materialien, die effizienter und ressourcenschonender als die bisherigen sind und nahe an ihrem physikalischen Limit eingesetzt werden können. 

Dazu gehört die Entwicklung innovativer Konzepte der Materialmanipulation, wobei die Wissenschaftler traditionelle empirische Ansätze der Entwicklung von magnetischen Materialien hinter sich lassen wollen. In der überregionalen Kollaboration geht es ihnen darum, basierend auf einem umfassenden Verständnis der strukturellen, magnetischen und elektronischen Wechselwirkungen auf nano-, mikro- und makroskopischer Ebene prädiktive Designkonzepte zu etablieren. Momentan stehe "die Erkundung ganz neuer Materialsysteme durch rechnergestützte Modellierung und Berechnung von Werkstoffeigenschaften – allen voran thermodynamische Stabilität und intrinsische magnetische Kennwerte – im Mittelpunkt der Forschung", hat Oliver Gutfleisch gemeinsam mit Co-Autor Roland Gauß bereits im Buchkapitel "Magnetische Materialien - Schlüsselkomponenten für neue Energietechnologien" diese Vorgehensweise auf den Punkt gebracht (Seite 108).

Neue Max-Planck-Forschungsgruppe

Jetzt haben TU Darmstadt und das MPIE zudem die Gründung einer neuen Max-Planck-Forschungsgruppe unter Leitung von Oliver Gutfleisch bekanntgegeben. Die neue Gruppe "De Magnete - Designing Magnetism on the Atomic Scale" ist am MPIE angesiedelt und beschäftigt sich mit dem Design von effizienten Hart- und Weichmagneten, magnetokalorischen und verwandten Funktionswerkstoffen. Es geht um die Analyse kritischer Ummagnetisierungsprozesse auf atomarer Skala mit experimentellen Methoden und Simulationen. Ziel ist es, relevante Umwandlungs- und dynamische Prozesse auf allen Längenskalen zu erfassen, zu reproduzieren und vorherzusagen. "Meine Expertise bei der Entwicklung von Magneten und die Expertise des MPIE in korrelativer Elektronenmikroskopie und Tomographie bis hinunter zur atomaren Skala, bilden eine ideale Kombination, um das Potential funktionaler Magnete vollständig auszuschöpfen", ordnet Gutfleisch die Gründung der Forschungsgruppe ein. "Ich bin sehr froh und stolz, dass wir Oliver für diese Gruppe gewinnen konnten. Das MPIE entwickelt neue Kooperationsschemata, die über etablierte Abteilungen, Kooperationsformen und Disziplinen hinausgehen, um die Grenzen der Materialforschung zu erweitern", kommentiert Dierk Raabe, geschäftsführender Direktor am MPIE.

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