Seltene Erden zählen für die Elektromobilität zu den wichtigsten Rohstoffen – aber wie lassen sich diese effizienter einsetzen? Am Beispiel von Elektromotoren haben Fraunhofer-Wissenschaftler ein Einsparungspotential von 80 Prozent entwickelt.

Rohstoff-Bedarf sinkt auf bis zu 20 Prozent

Im 2013 gestarteten Fraunhofer-Leitprojekt „Kritikalität Seltener Erden“ haben acht Fraunhofer-Institute an einem effizienteren Einsatz von Seltenen Erden gearbeitet. Auslöser für das Projekt war ein Preisschock: China, wo rund 90 Prozent der Seltenen Erden für den Weltmarkt gefördert werden, verhängte damals einen Exportstopp, 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, vor allem für die Elemente Dysprosium und Neodym. Diese werden beispielsweise für Magnete benötigt, wie sie etwa in Elektromotoren zum Einsatz kommen. Als Referenz wählte das Fraunhofer-Team deshalb zwei Elektromotoren, einen Kleinantrieb sowie einen Traktionsantrieb. Kombiniert man alle im Projekt entwickelten Möglichkeiten, Seltene Erden einzusparen oder zu ersetzen, lässt sich der Bedarf an Dysprosium und Neodym in diesen Motoren auf bis zu 20 Prozent der ursprünglich benötigten Mengen senken. 

Ein Traktions-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. © Fraunhofer IFAM

Ersatzmaterialien für Seltene Erden

„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 Ralf B. Wehrspohn, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS und Sprecher des Leitprojekts. 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.“ 

Auch das Design 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. Die Forscherinnen und Forscher haben dabei zahlreiche Materialkombinationen getestet und neue Legierungen nachgewiesen, die statt Seltener Erden unter anderem Cer enthalten, das bei der Förderung von Neodym anfällt. „Wir haben 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 Institutsleiter Wehrspohn.(aho)

Quelle: Fraunhofer