Was ist Teslas mysteriöser Magnet?

Teslas Investorentag am 1. März begann mit einem ausführlichen, detaillierten Diskurs über Energie und Umwelt, bevor er in eine Reihe meist vorhersehbarer Ankündigungen und Prahlereien überging. Und dann kam aus dem Nichts ein absoluter Paukenschlag: „Wir haben unsere nächste Antriebseinheit, die einen Permanentmagnetmotor verwendet, so konzipiert, dass sie überhaupt keine Seltenerdelemente verwendet“, erklärte Colin Campbell, Teslas Energiedirektor. Zugtechnik.

Es war eine verblüffende Enthüllung, die die meisten Experten für Permanentmagnetismus misstrauisch und ratlos zurückließ. Alexander Gabay, ein Forscher an der University of Delaware, sagt rundheraus: „Ich bin skeptisch, dass in naher Zukunft irgendein Permanentmagnet, der kein Seltenerdmetall ist, in einem synchronen 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 seltenerdfreie Materialien zu verwenden, um einen leistungsstarken und effizienten Motor herzustellen.“

Das Problem hierbei ist die Physik, an der nicht einmal Tesla etwas 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 halten. „Niemand versteht das ganz“, berichtet er. (Tesla antwortete nicht auf eine E-Mail mit der Bitte um nähere Erläuterung von Campbells Kommentar.)

Die technischen Fähigkeiten von Tesla sollten niemals unterschätzt werden. Andererseits hat das Unternehmen – und insbesondere sein CEO – in der Vergangenheit sporadisch sensationelle Behauptungen aufgestellt, die sich nicht bewahrheiteten (wir warten zum Beispiel immer noch auf das 35.000 US-Dollar teure Modell 3).

Das Problem hierbei ist die Physik, an der nicht einmal Tesla etwas ändern kann. Permanenter Magnetismus 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 vorhanden sind, desto stärker ist der Magnetismus. Ideal sind dafür Atome, bei denen ungepaarte Elektronen in sogenannten 3D-Orbitalen um den Kern kreisen. 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, lässt sich die magnetische Stärke erheblich verbessern, indem man dem kristallinen Gitter Atome mit ungepaarten Elektronen im 4f-Orbital hinzufügt – insbesondere die Seltenerdelemente Neodym, Samarium und Dysprosium. Diese 4f-Elektronen verstärken eine Eigenschaft des Kristallgitters, die als magnetische Anisotropie bezeichnet wird – sie fördern tatsächlich die Anhaftung der magnetischen Momente der Atome an die spezifischen Richtungen im Kristallgitter. Dies wiederum kann genutzt werden, um eine hohe Koerzitivfeldstärke zu erreichen, die wesentliche Eigenschaft, die dafür sorgt, dass ein Permanentmagnet magnetisiert bleibt. 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 Windkraftgeneratoren. Eine Studie von Roskill Information Services in London aus dem Jahr 2019 ergab, dass mehr als 90 Prozent der in Automobil-Traktionsmotoren verwendeten Permanentmagnete NdFeB waren.

Wenn also nicht Seltenerd-Permanentmagnete für Teslas nächsten Motor, welche Art dann? Unter spekulationsfreudigen Experten fiel die Wahl einhellig auf Ferritmagnete. Von den bisher erfundenen Nicht-Seltenerd-Permanentmagneten werden nur zwei in großem Maßstab hergestellt: Ferrite und ein anderer Typ namens Alnico (Aluminium-Nickel-Kobalt). Tesla wird kein Alnico verwenden, betonte ein halbes Dutzend von IEEESpectrum kontaktierte Experten. Diese Magnete sind schwach und, was noch wichtiger ist, die weltweite Versorgung mit Kobalt ist so knapp, dass sie weniger als 2 Prozent des Permanentmagnetmarktes ausmachen.

Es gibt mehr als ein Dutzend Permanentmagnete, die keine oder nur wenige Seltenerdelemente verwenden. Aber keines davon hat außerhalb des Labors Auswirkungen gehabt.

Ferritmagnete, die auf einer Form von Eisenoxid basieren, sind günstig und machen gemessen am Umsatz fast 30 Prozent des Marktes für Permanentmagnete 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). Es spiegelt sowohl die Stärke eines Magneten als auch seine Koerzitivfeldstärke wider. Für den NdFeB-Typ, der üblicherweise in Traktionsmotoren für Kraftfahrzeuge verwendet wird, liegt dieser Wert im Allgemeinen bei etwa 35 MGOe. Bei den besten Ferritmagneten liegt er bei etwa 4.

„Selbst wenn Sie den Ferritmagneten mit der besten Leistung erhalten, werden Sie eine Leistung haben, die etwa fünf- bis zehnmal niedriger ist als die von Neodym-Eisen-Bor“, sagt Daniel Salazar Jaramillo, ein Magnetforscher am Basque Center for Materials, Applications, and Nanostructures Spanien. Im Vergleich zu einem Synchronmotor mit NdFeB-Magneten ist ein auf Ferritmagneten basierender Motor also viel größer und schwerer, viel schwächer oder eine Kombination aus beidem.

Sicherlich gibt es mehr als ein Dutzend anderer Permanentmagnete, die keine oder nur wenige Seltenerdelemente verwenden. Aber keines davon hat außerhalb des Labors Auswirkungen gehabt. Die Liste der für einen kommerziell erfolgreichen Permanentmagneten erforderlichen Eigenschaften umfasst hohe Feldstärke, hohe Koerzitivfeldstärke, Toleranz gegenüber hohen Temperaturen, gute mechanische Festigkeit, einfache Herstellung und keine Abhängigkeit von Elementen, die selten, giftig oder aus anderen Gründen problematisch sind . Alle heutigen Kandidaten erfüllen eines oder mehrere dieser Kriterien nicht.

Eisennitrid-Magnete, wie dieser vom Startup Niron Magnetics, gehören zu den vielversprechendsten einer aufstrebenden Generation von Permanentmagneten, die keine Seltenerdelemente verwenden. Niron Magnetics

Aber lassen Sie es noch ein paar Jahre länger, sagen einige Forscher, und ein oder zwei davon könnten durchaus zum Durchbruch kommen. Zu den vielversprechendsten: Eisennitrid, Fe16N2. Niron Magnetics, ein Startup aus Minneapolis, kommerzialisiert nun eine Technologie, die Anfang der 2000er Jahre von Jian Ping Wang an der University of Minnesota mit Mitteln von ARPA-E entwickelt wurde, nach früheren Arbeiten bei Hitachi. Andy Blackburn, Executive Vice President von Niron, sagte gegenüber Spectrum, dass das Unternehmen beabsichtige, 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 Anwendungen unter anderem in Lautsprechern und Sensoren erwartet Andere. 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 sein.

Laut Blackburn wird dem ersten Angebot von Niron im Jahr 2025 ein Magnet mit einem Energieprodukt über 30 MGOe folgen. Dafür macht er eine ziemlich kühne Vorhersage: „Es wird einen ebenso guten oder besseren Fluss haben als Neodym.“ Es hat die Koerzitivkraft eines Ferrits und den Temperaturkoeffizienten von Samarium-Kobalt – besser als NdFeB. Sollte es dem Magneten wirklich gelingen, all diese Eigenschaften zu vereinen (ein großes Wenn), wäre er sehr gut für den Einsatz in Traktionsmotoren von Elektrofahrzeugen geeignet.

Es werden noch mehr kommen, erklärt Blackburn. „All diese neuen technischen Möglichkeiten im Nanomaßstab haben es uns ermöglicht, Materialien zu schaffen, die vor 20 Jahren unmöglich gewesen wären“, sagt er.