Forschern der General Electric Aerospace entwickelt wurde, könnte die Notwendigkeit von Seltenerdmetallen in Elektromotoren eliminieren – und gleichzeitig die Leistung von heute besten Antriebssystemen für Fahrzeuge erreichen oder sogar übertreffen. Diese Innovation könnte die etablierte Motorentechnologie verändern, die jahrzehntelange Vorherrschaft von Permanentmagnetmotoren auf der Basis von Seltenerdmetallen herausfordern und kritische Versorgungskettenprobleme lösen, die die Elektroautoindustrie lange Zeit belastet haben.
Um die Bedeutung dieser Entwicklung zu verstehen, beginnen wir mit den Grundlagen des synchronen Reluktanzmotors, dem Typ, der durch dieses neue Material revolutioniert werden könnte. Wie alle Motoren besteht er aus einem Stator und einem Rotor. Im Stator wird ein rotierendes Magnetfeld erzeugt, das den Rotor – üblicherweise aus Elektroblech, einer ferromagnetischen Legierung – magnetisiert und beeinflusst. Der Rotor dreht sich dann aufgrund eines Phänomens namens Reluktanz, einer Eigenschaft, die ferromagnetischen Materialien veranlasst, sich mit den Feldlinien eines Magnetfelds auszurichten. Wenn das rotierende Magnetfeld des Stators sich bewegt, richtet sich der magnetisierte Rotor ständig neu aus, um mit dem Feld übereinzustimmen – und erzeugt so Drehmoment.
Das Problem bei herkömmlichen synchronen Reluktanzmotoren liegt in den magnetischen Wechselwirkungen zwischen Stator und Rotor, insbesondere in den sog. „Brücken“ und „Säulen“ des Rotors. Diese Strukturen verbinden die magnetisierten Bereiche des Rotors, sind aber aus dem gleichen ferromagnetischen Material wie der Rest des Rotors gefertigt. Das bedeutet, sie werden ebenfalls magnetisiert, was zu Störungen der magnetischen Feldlinien führt. Diese Störungen reduzieren die magnetische Flussverbindung zwischen Stator- und Rotorpolen – und damit die Drehmomentkapazität des Motors.
Um diese Störungen zu minimieren, wurden herkömmliche Brücken und Säulen schmal gestaltet, um ihre Magnetisierung zu verringern. Doch dies schwächt die mechanische Stabilität des Rotors erheblich. Ein schwacherer Rotor kann nicht so schnell drehen, was die Leistung des Motors stark begrenzt. So bleibt der herkömmliche synchrone Reluktanzmotor hinter den Permanentmagnetmotoren zurück, die in heutigen Elektroautos verwendet werden – trotz seiner Vorteile, keine Seltenerdmetalle zu benötigen.
Hier kommt das zweiphasige Material ins Spiel. Seine besondere Eigenschaft liegt darin, dass bei Exposition in einem starken Magnetfeld verschiedene Bereiche des Materials völlig unterschiedlich magnetisiert werden: Entweder sie bleiben vollständig unmagnetisiert oder werden hochgradig magnetisiert. Diese Dualität ermöglicht es Ingenieuren, Brücken und Säulen des Rotors so zu gestalten, dass sie unmagnetisiert bleiben – aber gleichzeitig breiter und stabiler sein können. So werden magnetische Störungen eliminiert, ohne die mechanische Festigkeit einzubüßen.
Die Tests der General Electric Aerospace belegen die Wirkung dieser Innovation eindrucksvoll. In einem Experiment erreichte ein Motor mit zweiphasigem Rotor bei 14.000 Umdrehungen pro Minute eine Leistungsabgabe von 23 Kilowatt. Ein vergleichbarer Motor mit herkömmlichem Rotor erzielte unter denselben Bedingungen nur 3,7 Kilowatt. Der Spitzenwirkungsgrad des experimentellen Motors lag bei 94 Prozent – ein Wert, der mit den besten heute in kommerziellen Elektroautos eingesetzten Motoren mithalten kann.
„Ich bin überzeugt, dass dieses Material das Spiel verändern wird“, sagt Ayman El-Refaie, IEEE Fellow und Professor für Elektro- und Computerengineering an der Marquette University in Milwaukee, Wisconsin, der 2005 das Zweiphasenmaterialprojekt bei General Electric initiiert hat. Seine Begeisterung beruht nicht nur auf den aktuellen Ergebnissen, sondern auch auf dem Potenzial, das das Material jenseits des synchronen Reluktanzmotors aufweist.
Denn die Vorteile des zweiphasigen Materials beschränken sich nicht auf einen Motortyp. Forschungen an der Marquette University, der Kyungnam University in Gyeongsan (Südkorea) und der Ufa State Technical University (Russland) haben bereits gezeigt, dass es in Permanentmagnet-Synchronmotoren und Generatoren positive Effekte hat. „Vorteile entstehen nicht nur in permanenterregten Innenläufermotoren (IPM),“ erklärt El-Refaie. „Es bietet in anderen Maschinentypen aus verschiedenen Gründen ebenfalls Vorteile.“
Trotz dieser vielversprechenden Perspektiven stehen noch erhebliche Herausforderungen auf dem Weg zur Kommerzialisierung. Ein derzeitiger Nachteil des Materials ist seine maximale Sättigungsflussdichte von 1,5 Tesla – deutlich niedriger als die Grenze von herkömmlichem Elektroblech, das bis zu 2 Tesla erreichen kann. Die Flussdichte ist ein Maß für die Magnetisierbarkeit eines Materials, und eine Erhöhung dieser Eigenschaft wird durch weitere Entwicklungsarbeit angestrebt.
Noch größere Hürden liegen jedoch in der Produktion. Frank Johnson, ein leitender Mitarbeiter des Zweiphasenmaterialforschungsteams bei General Electric und heute Chief Technology Officer bei Niron Magnetics, erklärt: „Die Suche nach Stahlherstellern, die willens und in der Lage sind, die gewalzten Metallbleche für die Herstellung von zweiphasigen Rotoren zu produzieren, ist eine erhebliche Barriere. Die von uns entwickelten Legierungen haben sehr niedrige Kostenelemente, was ein Paradoxon schafft: Es ist ein schwieriger kommerzieller Fall, es sei denn, es gibt eine sehr große Produktionsmenge und eine erhebliche Investition in Ausrüstung.“
Derzeit bietet keine Firma zweiphasige magnetische Materialien für Hochleistungsmaschinen an. Neben General Electric Aerospace ist das einzige bekannte Unternehmen, das an der Entwicklung solcher Materialien arbeitet, die ehemalige Hitachi Metals, heute unter dem Namen Proterial tätig. Ob General Electric Aerospace das Material lizenzieren oder selbst produzieren wird, bleibt unklar – das Unternehmen lehnte es ab, Forscher zu Interviews zu diesem Thema zur Verfügung zu stellen.
Dennoch bleibt das Potenzial des Materials unbestritten. Wenn es in großem Maßstab produziert werden könnte, würde es weit über die Elektroautoindustrie hinaus Vorteile bringen. Die globale Produktion von Elektroautos und Lastwagen steigt stetig, und mit ihr wächst die Nachfrage nach leistungsstarken, zuverlässigen und nachhaltigen Antriebssystemen. Seltenerdmetalle wie Neodym und Dysprosium, die in heutigen Permanentmagnetmotoren verwendet werden, bringen hohe Umweltkosten und Versorgungskettenrisiken mit sich – und China beherrscht fast den gesamten Markt für diese Metalle. Ein Weg, von dieser Abhängigkeit loszukommen, wäre ein Wendepunkt für die Branche.
„Der größte Hemmschuh für die Kommerzialisierung ist vielleicht nicht der technische Fortschritt“, betont Johnson. Vielmehr geht es darum, die industrielle Infrastruktur zu schaffen, um das Material in großen Mengen zu produzieren. Das erfordert Zusammenarbeit zwischen Materialwissenschaftlern, Motoreningenieuren und Stahlherstellern – und eine Investition in spezielle Fertigungsanlagen, die derzeit nicht existieren.
El-Refaie ist zuversichtlich, dass weiterentwickelt werden kann. „Mit weiteren Entwicklungen kann das zweiphasige Material der General Electric verbessert werden“, sagt er. Neben der Erhöhung der Sättigungsflussdichte könnten Anpassungen an der Legierung die Herstellbarkeit verbessern und die Kosten senken – Voraussetzungen für eine breite Akzeptanz in der Industrie.
Die Bedeutung dieser Innovation wird erst dann voll zum Tragen kommen, wenn sie aus dem Labor in die Fabriken übergeht. Für Elektroautos würde das bedeuten, Motoren zu haben, die nicht nur leistungsstarker und effizienter sind, sondern auch stabiler in der Versorgung und umweltfreundlicher in der Produktion. Für Hersteller würde es die Möglichkeit eröffnen, von Preisschwankungen bei Seltenerdmetallen unabhängiger zu werden und neue Märkte zu erschließen, in denen Nachhaltigkeit und Versorgungssicherheit oberste Prioritäten sind.
Auch für Verbraucher hätte dies Vorteile: Niedrigere Herstellungskosten könnten sich in günstigere Elektroautos niederschlagen, ohne dass Leistung oder Zuverlässigkeit beeinträchtigt werden. Darüber hinaus würde die Reduktion von Seltenerdmetallen den ökologischen Fußabdruck von Elektroautos weiter verringern – ein wichtiger Schritt, um das volle Potenzial der Elektromobilität für den Klimaschutz auszuschöpfen.
In einem Zeitraum, in dem die Elektroautoindustrie ständig nach besseren, schnelleren und nachhaltigeren Lösungen sucht, könnte das zweiphasige magnetische Material eine zentrale Rolle spielen. Es stellt nicht nur einen technischen Durchbruch dar, sondern auch eine Chance, die globalen Versorgungsketten zu diversifizieren und die Elektromobilität zu demokratisieren – weg von Monopolen und hin zu einer nachhaltigeren, widerstandsfähigeren Zukunft.
Die Reise von der Forschung zur Massenproduktion wird lang und anspruchsvoll sein. Aber wenn die Herausforderungen gemeistert werden, könnte das zweiphasige Material von General Electric Aerospace eine Ära des motorischen Designs einleiten, in dem Leistung und Nachhaltigkeit Hand in Hand gehen – und Seltenerdmetalle zu einem Relikt der Vergangenheit werden.
Autor: Glenn Zorpette
Zugehörigkeit: IEEE Spectrum
DOI: 10.1109/MSPEC.2024.2300123