Es wurde ein möglicher Ersatz für Seltenerdmagnete entdeckt

In Zusammenarbeit mit Kollegen aus Österreich haben Forscher der Universität Cambridge herausgefunden, dass Tetrataenit, ein „kosmischer Magnet“, dessen natürliche Entwicklung in Meteoriten Millionen von Jahren dauert, möglicherweise anstelle von Seltenerdmagneten verwendet werden kann.

Bisher waren Versuche, Tetrataenit im Labor herzustellen, auf extreme und unpraktische Methoden angewiesen, aber das wird sich mit der Verwendung des gemeinsamen Elements Phosphor durch die Forscher ändern. Durch die Verwendung von Phosphor besteht die Möglichkeit, Tetrataenit künstlich und in großem Maßstab herzustellen, ohne dass eine spezielle Behandlung oder teure Techniken erforderlich sind.

Der Artikel mit dem Titel „Direkte Bildung von hartmagnetischem Tetrataenit in Gussteilen aus Massenlegierungen“ wurde in der Zeitschrift Advanced Science veröffentlicht. Cambridge Enterprise, die Kommerzialisierungsabteilung der Universität, und die Österreichische Akademie der Wissenschaften haben einen Patentantrag für die Technologie eingereicht.

Um eine CO2-freie Wirtschaft aufzubauen, ist die Versorgung mit Hochleistungsmagneten erforderlich. Derzeit enthalten die besten auf dem Markt erhältlichen Permanentmagnete Seltenerdelemente, die trotz ihres Namens in der Erdkruste reichlich vorhanden sind.

Allerdings stellt die Sicherstellung einer zuverlässigen Versorgung mit Seltenen Erden ein Problem dar, da China den Großteil der weltweiten Produktion kontrolliert. Es wurde berichtet, dass im Jahr 2017 81 % der Seltenen Erden weltweit aus China bezogen wurden. Es gibt andere Länder, die Seltene Erden abbauen, wie zum Beispiel Australien, aber angesichts der zunehmenden geopolitischen Spannungen mit China könnte die derzeitige Versorgung mit Seltenen Erden gefährdet sein.

Professorin Lindsay Greer von der Abteilung für Materialwissenschaft und Metallurgie in Cambridge erklärte: „Seltene Erden gibt es auch anderswo, aber der Bergbaubetrieb ist äußerst störend, da man große Mengen Material abbauen muss, um eine kleine Menge seltener Erden zu gewinnen.“

„Angesichts der Umweltauswirkungen und der starken Abhängigkeit von China besteht eine dringende Suche nach alternativen Materialien, die keine seltenen Erden erfordern.“

Eine der vielversprechendsten Alternativen für Permanentmagnete ist Tetrataenit, eine Eisen-Nickel-Legierung mit geordneter Atomstruktur. Das Material entsteht über Millionen von Jahren, wenn ein Meteorit langsam abkühlt. Dies gibt den Eisen- und Nickelatomen genügend Zeit, sich innerhalb der Kristallstruktur in einer bestimmten Stapelreihenfolge anzuordnen, was zu einem Material mit magnetischen Eigenschaften führt, die denen von Seltenerdmagneten ähneln.

In den 1960er Jahren wurde Tetrataenit künstlich durch Bestrahlen von Eisen-Nickel-Legierungen mit Neutronen gebildet, wodurch die Atome die gewünschte geordnete Stapelung bildeten. Diese Technik ist jedoch für die Massenproduktion ungeeignet.

„Seitdem sind Wissenschaftler fasziniert davon, diese geordnete Struktur zu erhalten, aber es kam ihnen immer wie etwas vor, das sehr weit entfernt war“, sagte Greer, der auch die Forschung leitete.

Im Laufe der Jahre haben viele Wissenschaftler versucht, Tetrataenit im industriellen Maßstab herzustellen, was jedoch nicht möglich war.

Nun haben Greer und seine Kollegen von der Österreichischen Akademie der Wissenschaften und der Montanuniversität Leoben eine mögliche Alternative gefunden, die diese extremen Methoden vermeidet.

Das Team untersuchte die mechanischen Eigenschaften von Eisen-Nickel-Legierungen, die geringe Mengen Phosphor enthalten, der in Meteoriten vorkommt. In diesen Materialien befand sich ein Phasenmuster, das auf die erwartete baumartige Wachstumsstruktur namens Dendriten hindeutete.

„Für die meisten Menschen wäre es damit geendet: In den Dendriten war nichts Interessantes zu sehen, aber als ich genauer hinschaute, sah ich ein interessantes Beugungsmuster, das auf eine geordnete Atomstruktur hinweist“, sagte Erstautor Dr. Yurii Ivanov, der die Arbeit währenddessen abgeschlossen hat in Cambridge und ist jetzt am Italian Institute of Technology in Genua ansässig.

Das Beugungsmuster von Tetrataenit sieht zunächst wie die für Eisen-Nickel-Legierungen erwartete Struktur aus, nämlich ein ungeordneter Kristall, der als Hochleistungsmagnet nicht von Interesse ist. Ivanovs genauerer Blick identifizierte den Tetrataenit.

Laut dem Team ermöglicht Phosphor eine schnellere Bewegung der Eisen- und Nickelatome und ermöglicht es ihnen, die erforderliche geordnete Stapelung zu bilden, ohne Millionen von Jahren warten zu müssen. Sie konnten die Tetrataenitbildung um 11 bis 15 Größenordnungen beschleunigen, indem sie Eisen, Nickel und Phosphor in den richtigen Mengen vermischten. Dies bedeutete, dass sich das Material im einfachen Guss innerhalb weniger Sekunden formen konnte.

„Das Erstaunliche war, dass keine besondere Behandlung erforderlich war. Wir haben die Legierung einfach geschmolzen, in eine Form gegossen und schon hatten wir Tetrataenit“, sagte Greer. „Die bisherige Meinung auf diesem Gebiet war, dass man Tetrataenit nur erhalten kann, wenn man etwas Extremes tut, da man andernfalls Millionen von Jahren warten müsste, bis es sich bildet. Dieses Ergebnis stellt eine völlige Änderung unserer Denkweise dar.“ Material."

Obwohl diese Methode vielversprechend ist, bedarf es weiterer Arbeit, um zu entscheiden, ob sie für Hochleistungsmagnete geeignet ist. Das Team hofft, mit großen Magnetherstellern zusammenzuarbeiten, um dies herauszufinden.

Die Ergebnisse dieser Studie könnten die Ansichten über die Dauer der Tetrataenit-Entwicklung ändern.

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