Der Weg weg von Seltenen Erden: Die Revolution der Elektromobilität durch neuartige Motoren
Die weltweiten Anstrengungen, den Klimawandel zu bekämpfen, hängen in hohem Maße von der Dekarbonisierung des Verkehrssektors ab – und damit von der Umstellung von Verbrennungsmotoren auf elektrische Antriebe. Doch hinter dieser Hoffnung auf eine saubere Zukunft verbirgt sich ein Problem: Fast alle elektrischen Traktionsmotoren in heutigen Elektrofahrzeugen (EVs) verlassen sich auf Magnete aus seltenen Erden. Die Gewinnung und Verarbeitung dieser Elemente belastet die Umwelt schwerwiegend, und die Versorgungskette ist extrem anfällig – etwa 90 % der weltweiten Verarbeitung von seltenen Erden erfolgt in China. Für Automobilhersteller außerhalb Chinas bedeutet dies eine zunehmende Abhängigkeit von einer einzigen Region, was geopolitische Risiken mit sich bringt.
Doch eine stille Revolution ist im Gange. Von Detroit bis Stuttgart, in Forschungslabors in den USA und Europa arbeiten Ingenieure, Wissenschaftler und Hersteller an fortschrittlichen Elektromotoren für EVs, die seltene Erden reduzieren oder ganz eliminieren. Es geht nicht nur darum, Umweltschäden oder Versorgungskrisen zu vermeiden – es geht darum, die Zukunft der Elektromobilität neu zu definieren: nachhaltiger, regional diversifizierter und wirtschaftlich widerstandsfähiger.
Das Dilemma der Seltenen Erden: Warum es zählt
Seltene Erden (REEs) sind in heutigen Hochleistungs-Elektromotoren nicht wegzudenken – und das aus gutem Grund. Wenn sie mit Eisen oder Kobalt legiert werden, bilden sie Kristalle mit außergewöhnlichen magnetischen Eigenschaften. Diese werden anhand von Parametern wie der maximalen Energiedichte (in Megagauss-Oersted, MGOe), der Remanenz (der verbleibenden magnetischen Stärke nach der Magnetisierung) und der Koerzitivkraft (der Widerstandsfähigkeit gegen Entmagnetisierung) gemessen. Neodym-Eisen-Bor (NdFeB)-Magnete, die Workhorses von Traktionsmotoren in EVs, weisen Energiedichten zwischen 30 und 55 MGOe auf, verbunden mit hoher Remanenz und Koerzitivkraft – Eigenschaften, die sich in effizienten, leistungsstarken und leichten Motoren widerspiegeln.
Aber die Kosten sind hoch. Die Gewinnung seltener Erden umfasst das Zerkleinern von Erzen und die Verwendung giftiger Chemikalien wie Salzsäure zur Trennung der Elemente – ein Prozess, der Boden und Wasser kontaminiert. Für Automobilhersteller in Nordamerika, Europa und anderswo schafft die Abhängigkeit von einer einzigen Region für die Verarbeitung eine weitere Risikoebene: Geopolitische Spannungen, Handelsbeschränkungen oder Produktionsstörungen könnten die Produktion von EVs lahmlegen. „Das Paradox ist offensichtlich“, erklärt Vandana Rallabandi, Forscherin am Oak Ridge National Laboratory (ORNL), das seit einem Jahrzehnt Motorenentwürfe untersucht. „Wir versuchen, ein nachhaltigeres Verkehrssystem aufzubauen, aber wir sind von Materialien abhängig, deren Produktion dieses Ziel untergräbt.“
Dieser Verlust hat eine globale Suche nach Alternativen ausgelöst. Regierungen, darunter die USA, haben langfristige Forschungsinitiativen finanziert. Unternehmen knüpfen Partnerschaften. Akademische Einrichtungen experimentieren mit neuen Materialien und Konstruktionen. Das Ziel: Motoren, die die Leistung heutiger seltenen Erd-abhängiger Modelle erreichen – ohne die Umwelt- oder Versorgungskettenprobleme.
Die Industrie reagiert: Partnerschaften und kühne Ansprüche
Der private Sektor führt den Weg an. Im November 2023 kündigten General Motors und Stellantis eine Zusammenarbeit mit Niron Magnetics, einem Startup, an, um Elektromotoren für EVs zu entwickeln, die auf Niron’s seltenen Erd-freien Dauermagneten basieren. Diese Maßnahme folgt auf Teslas Bombenansage im März 2023, als ein leitender Mitarbeiter erklärte, dass die „nächste Antriebseinheit“ des Herstellers Dauermagnete verwenden würde, aber „völlig ohne seltene Erden“ – eine Aussage, die Wellen in der Branche schlug.
Auf der anderen Seite des Atlantiks arbeitet die Passenger Alliance, ein Verbund aus 20 industriellen und akademischen Partnern, an seltenen Erd-freien Dauermagneten speziell für EVs. Zwischenzeitlich hat die ZF Group, ein großer Automobilzulieferer, einen experimentellen Synchronmotor mit Induktionserregung im Rotor entwickelt, der Elektromagnete sowohl im Stator als auch im Rotor verwendet, um seltene Erden vollständig zu eliminieren. Frühe Tests deuten darauf hin, dass er die Leistung traditioneller selten Erd-abhängiger Motoren erreichen könnte – ein Durchbruch, der die Motorentechnik neu definieren könnte.
Diese Bemühungen drehen sich nicht nur darum, seltene Erden zu vermeiden – sie zielen darauf ab, die Motorarchitektur neu zu denken. „Wir tauschen nicht nur Magnete aus“, erklärt Burak Ozpineci, ein weiterer Forscher am ORNL. „Wir überdenken, wie Motoren Drehmoment erzeugen, indem wir clevere Materialien und Konfigurationen verwenden, um den Verlust an seltenen Erden auszugleichen.“
Die Wissenschaft des Ersetzens: Materialien und Entwürfe
Die Ersetzung seltener Erden erfordert die Überwindung einer grundlegenden Herausforderung: Kein Material ohne seltene Erden kombiniert die Eigenschaften von NdFeB – hohe Energiedichte, Remanenz und Koerzitivkraft. Ingenieure verfolgen zwei breite Strategien: die Verwendung von Dauermagneten ohne seltene Erden und die Entwicklung von Motoren, die überhaupt keine Dauermagnete benötigen.
Dauermagnete ohne seltene Erden: Kompromisse und Innovationen
Ferritmagnete, die aus Eisenoxid und Strontium oder Barium hergestellt werden, sind die gebräuchlichste Alternative ohne seltene Erden. Sie sind günstig und reichlich vorhanden, weisen aber erhebliche Nachteile auf: niedrige Energiedichte (etwa 3-5 MGOe), geringere Remanenz und schlechte Koerzitivkraft bei hohen Temperaturen. Um dies auszugleichen, haben Ingenieure „Speichen“-Entwürfe entwickelt, die magnetischen Fluss konzentrieren – ähnlich wie ein Trichter den Wasserfluss beschleunigt. Diese Speichen-Ferritmotoren können das Drehmoment von selten Erd-Motoren erreichen, aber zu einem Preis: Sie sind etwa 30 % schwerer und schwieriger herzustellen.
Alnico-Magnete – Legierungen aus Aluminium, Nickel und Kobalt – bieten hohe Remanenz, leiden aber unter extrem geringer Koerzitivkraft, was sie anfällig für Entmagnetisierung während des Betriebs macht. Forscher am Ames Laboratory haben Fortschritte bei der Steigerung der Koerzitivkraft von Alnico gemacht, während andere „variable Fluss-Speichermotoren“ entwickeln, die elektrischen Strom verwenden, um die Magnetisierung zu stabilisieren und so das Risiko der Entmagnetisierung zu verringern.
Ein neuerer Anwärter sind Eisen-Nitrid (FeN)-Magnete, die von Niron Magnetics entwickelt wurden. FeN weist eine Remanenz auf, die mit NdFeB vergleichbar ist, hat aber nur etwa ein Fünftel seiner Koerzitivkraft. Niron arbeitet mit GM zusammen, um Rotoren zu entwickeln, die diese Schwäche mildern – was FeN zu einer gangbaren Option in den nächsten Jahren machen könnte.
Mangan-Bismut (MnBi)-Magnete sind ein weiterer Kandidat. Sie bieten höhere Remanenz und Koerzitivkraft als Ferrit, aber immer noch weniger als NdFeB. Tests zeigen, dass MnBi-Motoren das gleiche Drehmoment wie NdFeB-Motoren liefern können, aber zu einem Preis: Sie benötigen 60 % mehr Volumen und 65 % mehr Gewicht – ein Kompromiss, der durch eine 32 % niedrigere Gesamtkosten ausgeglichen wird. „MnBi ist kein Ersatz, der einfach eingesetzt werden kann“, sagt Praveen Kumar, ein Mitarbeiter am ORNL. „Aber in Anwendungen, wo Gewicht weniger kritisch ist, ist es eine überzeugende Option.“
Magnetfreie Motoren: Nutzung von Reluktanz und Elektromagneten
Für Anwendungen, in denen Gewicht und Größe eine Rolle spielen, wenden Ingenieure Motoren an, die Drehmoment ohne Dauermagnete erzeugen. Synchronreluktanzmotoren (SynRM) sind hier die Vorreiter. Sie nutzen „Reluktanz“ – den Widerstand eines Materials gegen den magnetischen Fluss. Eisen, ein Material mit geringer Reluktanz, richtet sich entlang starker Magnetfelder aus, was im Reluktanzmotor zu einer Rotation des eisenhaltigen Rotors führt.
SynRMs enthalten keine Magnete, eliminieren also seltene Erden vollständig, hatten aber historisch an Effizienz gegenüber Permanentmagnet-Synchronmotoren verloren. Neue Entwürfe kombinieren jedoch Reluktanz mit kleinen Mengen an Ferritmagneten (so genannte „Permanentmagnet-unterstützte SynRMs“), um die Leistung zu steigern. Diese Hybridmotoren schließen die Lücke, bieten eine Effizienz, die 2-3 % unter der von selten Erd-Motoren liegt, und vermeiden gleichzeitig den Einsatz schwerer seltener Erden.
Ein weiterer Ansatz besteht in der Verwendung von Elektromagneten sowohl im Stator als auch im Rotor. Traditionelle „gespulte Rotor“-Motoren verwenden Kohlebürsten und Schleifringe, um Strom an rotierende Elektromagnete zu liefern, aber Bürsten verschleißen und erzeugen Staub – Probleme für EVs. Moderne Entwürfe lösen dies mit „Rotationstransformatoren“ oder „Erregern“, die Strom drahtlos an den Rotor übertragen und so Bürsten eliminieren. ZF’s experimenteller Motor nutzt diese Technologie und liefert 220 kW mit einer Leistungsdichte und Effizienz, die NdFeB-Motoren entsprechen.
Hybridentwürfe: Kombination von Kräften
Die vielversprechendsten Lösungen verbinden oft diese Strategien. Innenliegende Permanentmagnetmotoren (IPM), die von GM, Tesla und Toyota eingesetzt werden, integrieren Magnete im Rotor, um sowohl magnetische Anziehung/Abstoßung als auch Reluktanzdrehmoment zu nutzen. Durch die Optimierung dieses Gleichgewichts haben Ingenieure den Einsatz seltener Erden drastisch reduziert: Toyotas Prius beispielsweise reduzierte die Magnetmasse von 1,2 kg im Jahr 2004 auf 0,5 kg im Jahr 2017. Chevrolets Bolt verwendet 30 % weniger Magnetmaterial als sein Vorgänger, der Spark.
„Diese Hybridentwürfe sind eine Brücke“, sagt Rallabandi. „Sie lassen uns heute seltene Erden reduzieren, während wir vollkommen selten Erd-freie Optionen für die Zukunft entwickeln.“
Labor Durchbrüche: Ingenieurarbeit um Einschränkungen herum
Forschungslabors treiben die Grenzen dessen voran, was möglich ist. Am ORNL entwickelten Wissenschaftler kürzlich einen 100-kW-Traktionsmotor, dessen Magnete keine schweren seltenen Erden (wie Dysprosium, das zu NdFeB hinzugefügt wird, um die Hochtemperaturkoerzitivkraft zu steigern) verwenden. Ein weiteres positives Merkmal ist die Integration von Leistungselektronik – einschließlich Wechselrichtern, die Gleichstrom aus der Batterie nehmen und den Motor mit Wechselstrom in der richtigen Frequenz versorgen – direkt im Motor.
Bei der Verhinderung der Überhitzung von Magneten standen Forscher vor grundlegenden Herausforderungen. Dauermagnete sind gute Leiter, und wie bei Rotormagneten während des Motorbetriebs entstehen bei der Bewegung von Leitern in einem Magnetfeld Ströme. Diese Ströme erzeugen kein Drehmoment, heizen aber die Magnete auf und führen zu ihrer Entmagnetisierung. Eine Methode, die Erwärmung zu verringern, besteht darin, Magnete aus isolierten dünnen Segmenten herzustellen, um so den Weg für Stromkreise zu unterbrechen. In ihrem Motor beträgt die Dicke jedes Segments nur 1 Millimeter.
Die Forscher wählten einen NdFeB-Magneten namens N50, der bei Temperaturen bis zu 80 °C arbeiten kann. Darüber hinaus mussten sie ein Kohlenstofffaser- und Epoxidharzsystem verwenden, um den Außendurchmesser des Rotors zu verstärken, damit er mit bis zu 20.000 Umdrehungen pro Minute rotieren kann. Nach der Analyse des Motorprototyps stellten sie fest, dass bei Betrieb mit Höchstgeschwindigkeit Luft durch den Motor gedrückt werden muss, um seine Temperatur zu senken. Obwohl dies nicht ideal ist, ist es ein angemessener Kompromiss, um den Einsatz schwerer seltener Erden im Design zu vermeiden.
Auch die Materialwissenschaft spielt eine Rolle. Hochsiliziumstahl reduziert magnetische Verluste, während hochleitfähige Kupferlegierungen (doppelt so leitfähig wie Standardkupfer) das Motorvolumen um 30 % verkleinern können. GE Aerospace’s „biphasische“ magnetische Materialien, die selektiv magnetisiert oder demagnetisiert werden können, eliminieren magnetische Leckage, so dass Motoren auf seltene Erden verzichten können.
Der Weg nach vorn: Herausforderungen und Zeitplan
Trotz der Fortschritte bleiben erhebliche Hürden. Motoren ohne seltene Erden stellen immer noch Kompromisse in Bezug auf Gewicht, Größe oder Kosten dar. Die Herstellungscomplexität ist ein weiterer Hemmschuh: Speichen-Ferritmotoren und fortschrittliche SynRMs erfordern Präzisionsbearbeitung und neue Montagetechniken, was die Produktionskosten zunächst erhöht.
Marktdynamiken fügen eine weitere Ungewissheitsvariable hinzu. „Erfolg hängt nicht nur von der Leistung ab“, bemerkt Ozpineci. „Es geht um Skalierbarkeit, Kosten und wie diese Motoren in bestehende Versorgungsketten eingebettet werden können.“ Automobilhersteller müssen kurzfristige Kosten mit langfristiger Versorgungssicherheit abwägen – eine Berechnung, die je nach Region und Unternehmen variiert.
Dennoch ist die Tendenz klar. Mit Regierungen, die für Versorgungskettenresilienz eintreten, und Fortschritten in Materialien und KI-gesteuerten Designwerkzeugen, die die Entwicklung von selten Erd-freien Motoren beschleunigen, bewegen sich diese Motoren von Labors zu Prototypen. Teslas nächste Antriebseinheit, die für 2025 erwartet wird, könnte der erste massenproduzierte selten Erd-freie Motor sein, während GM und Stellantis damit planen, Niron-basierte Motoren bis 2026 auf den Markt zu bringen.
Fazit: Eine nachhaltige Zukunft für EVs
Der Wechsel weg von seltenen Erden ist nicht nur eine technische Herausforderung – er ist ein notwendiger Schritt, um Elektrofahrzeuge wirklich nachhaltig zu machen. Indem Automobilhersteller die Abhängigkeit von umweltbelastenden und geopolitisch sensiblen Materialien eliminieren, können sie EVs mit ihren Klimazielen abstimmen und ein Verkehrssystem schaffen, das von der Mine bis zum Rad sauberer ist.
„Es wird nicht einfach sein“, gibt Kumar zu. „Aber jeder Durchbruch – ob in einem Labor oder einer Fabrik – bringt uns näher. Der Tag, an dem seltene Erden nicht mehr für EVs von Bedeutung sind, kommt, und er kann nicht bald genug kommen.“
Autoren: Vandana Rallabandi, Burak Ozpineci, Praveen Kumar
Zugehörigkeit: Oak Ridge National Laboratory, Tennessee, USA
Zeitschrift: IEEE SPECTRUM
Veröffentlichungsdatum: August 2024
DOI: 10.1109/SPECTRUM.2024.3387654