Der Aufstieg der Magnete – von der Chirurgie bis zum Weltraum

Die winzigen, pinzettenartigen Metallbacken waren angebracht. Fassen Sie sanft die Gallenblase des Patienten. Aber das Greifgerät war mit nichts physisch verbunden – es schien im Körper der Person zu schweben.

In Wirklichkeit wurden die Kiefer von einem Roboterarm mit einem speziellen Magneten ferngesteuert.

„Wir konnten die kritischen Strukturen, die Blutgefäße, sehen“, sagt Dr. Matthew Kroh von der Cleveland Clinic in Ohio. Es dauerte nicht lange, bis er mit Hilfe seines Roboterassistenten die lästige Gallenblase entfernt hatte. Dies war eine von etwa zwei Dutzend ähnlichen Operationen, die er und sein Team in den letzten Monaten mit ihrem High-Tech-System durchgeführt haben.

„Es ermöglicht uns, eine sehr häufige Operation auf weniger invasive Weise durchzuführen“, sagt er und erklärt, dass für solche Eingriffe jetzt weniger Schnitte erforderlich seien. Aber es gibt auch viele andere neue Anwendungen, bei denen sorgfältig hergestellte Magnete zum Einsatz kommen.

Permanentmagnete, die bunte Souvenirs an der Kühlschranktür festhalten, scheinen eine ziemlich ausgereifte und etablierte Technologie zu sein. Schließlich werden sie schon seit Jahrhunderten verwendet. Und doch unternehmen Forscher und Unternehmen heute große Anstrengungen, um Magnete leistungsfähiger und effizienter zu machen als je zuvor.

Dies liegt daran, dass Magnete zunehmend in allen möglichen aufstrebenden Technologien eingesetzt werden – einschließlich Elektrofahrzeugmotoren und Windkraftanlagen. Sie sind daher von entscheidender Bedeutung für die Elektrifizierung. Magnete werden jedoch im Allgemeinen aus Seltenerdelementen hergestellt, die aus schmutzigen Bergbaubetrieben stammen. Und derzeit dominiert China mit einem Marktanteil von über 90 % die globale Permanentmagnetproduktion massiv.

Viele argumentieren, dass wir sauberere und weiter verteilte Produktionsanlagen für Magnete brauchen. Die Zukunft, sagen sie, hänge davon ab.

„Meine Arbeit ist brillant“, sagt Matthew Swallow, technischer Produktmanager bei Bunting Magnetics in Großbritannien. „Niemand sonst, glaube ich, mischt sich in so viele Dinge ein.“

Seine Firma stellt Magnete her, die in allen möglichen Systemen eingesetzt werden – von Cochlea-Implantaten bis hin zu Notbremsen in Achterbahnen, unter anderem in Alton Towers. Bunting Magnetics hat sogar Magnete an die NASA geliefert.

Herr Swallow sagt, dass sich die Verfügbarkeit höherwertiger Magnete, die mit dem Seltenerdelement Neodym hergestellt werden, sogar in den letzten etwa zehn Jahren verbessert hat. Für solche Magnete, die für Temperaturen bis zu 200 °C ausgelegt sind, war früher die Güteklasse N35 das Maximum. Aber jetzt sind N52-Versionen im Handel erhältlich.

„Man kann den Magneten buchstäblich um 60 % weniger massiv machen und trotzdem die gleiche Leistung erzielen“, erklärt Herr Swallow.

In einem Elektromotor sorgt ein Magnetfeld dafür, dass sich eine interne Spule dreht. Damit könnte beispielsweise eine Achse angetrieben und die Räder eines Elektroautos gedreht werden. Hochwertigere Magnete bedeuten, dass Motoren effizienter laufen und Autos insgesamt etwas weniger wiegen. Die sorgfältige Zugabe einer kleinen Menge Dysprosium, einem weiteren Seltenerdelement, ist eine Möglichkeit, die Effizienz eines Magneten zu verbessern.

Ein Grund, warum China die weltweite Produktion dieser Magnete dominiert, sind finanzielle Anreize, sagt Ross Embleton, leitender Analyst für Metalle und Bergbau – Seltene Erden bei Wood Mackenzie. Für Seltenerd-Permanentmagnetmaterialien gilt beim Export aus dem Land ein Mehrwertsteuernachlass von 13 %, und die Provinzregierungen gewähren beispielsweise Unterstützung bei den Energiekosten, was auch dazu beiträgt, die Magnetherstellungsanlagen anzukurbeln.

„Es ist eine wirklich sehr herausfordernde Branche, in der man außerhalb Chinas konkurrieren kann“, sagt Herr Embleton.

Das hat einige nicht davon abgehalten, es zu versuchen. Das US-Unternehmen Niron Magnetics sagt, es sei ihm gelungen, qualitativ hochwertige Magnete ohne Seltene Erden herzustellen. Stattdessen verwenden sie Eisen und Stickstoff, um Eisennitrid-Magnete herzustellen. Dabei kommt es darauf an, dass das Eisennitrid eine bestimmte Kristallstruktur annimmt, die Magnetfelder erzeugt.

Geschäftsführer Jonathan Rowntree lehnt es ab, die Produktionstechniken seines Unternehmens im Detail zu erläutern, sagt aber, Niron habe bereits funktionierende Magnete hergestellt. Die erste davon wird in Lautsprechern verwendet.

Die magnetische Feldstärke wird in Tesla gemessen, und Nirons Magnete liegen derzeit bei einem Tesla. Herr Rowntree sagt, dass es möglich sein sollte, mit Eisennitrid deutlich stärkere Magnete herzustellen, bis zu 2,4 Tesla.

Alternativ wäre das Recycling von Magneten auch viel umweltfreundlicher als die Herstellung neuer Seltenerdmagnete von Grund auf.

In Großbritannien hat die Universität Birmingham eine Methode entwickelt, um Seltenerdlegierungen beispielsweise aus alten Elektromotoren und Computerfestplatten zu extrahieren.

Ein Spin-out-Unternehmen, HyProMag, hat mit dieser Technologie nun erfolgreich Seltene Erden gewonnen und beabsichtigt, noch in diesem Jahr mit der kommerziellen Produktion von Magneten aus diesem Material zu beginnen.

Unterdessen gibt das US-Unternehmen Noveon Magnetics bekannt, dass es eine eigene Methode zum Magnetrecycling entwickelt hat. Auf die Frage nach dem Verfahren und den Qualitäten der hergestellten Magnete wollte der kaufmännische Leiter Peter Afiuny nicht auf Einzelheiten eingehen, sagte jedoch nur, dass eine kleine Menge Legierung mit wiedergewonnenem Material gemischt werde, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen. Der gesamte Prozess ist etwa 40 % effizienter als die herkömmliche Herstellung von Neumagneten.

Allerdings kann es schwierig sein, die Qualität eines alten Magneten von einem ausgedienten Unterhaltungselektronikgerät zu unterscheiden, sagt Herr Embleton. Und manchmal stecken Magnete in Produkten mit hartem Epoxidharz fest, was es schwierig macht, sie zu entfernen.

Aber nach und nach, wenn die ersten Generationen von Elektrofahrzeugmotoren und Windturbinen in den kommenden Jahren das Ende ihrer Lebensdauer erreichen, wird erwartet, dass mehr magnetisches Material für das Recycling verfügbar wird.

„Da gibt es eine gewisse Verzögerung, bis das Material wieder zurückkommt“, sagt Herr Embleton. Unternehmen haben in der Zwischenzeit die Möglichkeit, ihre Recyclingprozesse zu perfektionieren.