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HyMag ist stärker, leichter und umweltfreundlicher

Eine neue Magnettechnologie, die am Argonne National Laboratory des U.S. Department of Energy (DOE) erfunden wurde, könnte dazu beitragen, den Übergang der Nation von benzinbetriebenen Fahrzeugen zu Elektro- und Hybridantrieben schneller, kostengünstiger und umweltfreundlicher zu gestalten.

Die Erfindung mit der Bezeichnung HyMag kann praktisch für jede Technologie von Nutzen sein, die Strom aus Elektromotoren bezieht oder Strom mit Generatoren erzeugt.

Der erstgenannte Nutzer betrifft batteriebetriebene Geräte und Systeme, wie z. B. Elektrowerkzeuge, Rollstühle, Golfwagen sowie Elektro- und Hybridfahrzeuge. Ein weiterer Nutzer ist u. a. der Standby-Strom für Geschäfts- und Offshore-Windkraftanlagen.

Bei richtiger Auslegung reicht die Verstärkung der nutzbaren Flussdichte des Magneten je nach Anwendung und Betriebstemperatur von 10 bis 30 Prozent, so die Erfinder von HyMag, Principal Scientist Kaizhong Gao und seine Kollegin Yuepeng Zhang.

"Diese zusätzliche Effizienz wird sich entweder in mehr produzierter Energie oder weniger Verluste niederschlagen", sagte Gao, Gruppenleiter für Nanomaterialien, Geräte und Systeme.

HyMag könnte insbesondere bei einer gewichtssensiblen Anwendung, wie beispielsweise Windkraftanlagen, von Vorteil sein, da der höhere Wirkungsgrad der Technologie zu kleineren Strukturen führen könnte.

Stärkere Magnete würden es beispielsweise ermöglichen, den Anteil an Trag- und Stützmaterialien der Außengehäuse, die auf direkt angetriebenen Windkraftanlagen sitzen, zu reduzieren.

Die Außengehäuse machen mehr als die Hälfte des Gewichts eines 100- bis 130 Tonnen schweren Windturms aus. Kleinere Gehäuse könnten in höheren Türmen eingebaut werden, sodass die Turbinen Zugang zu stärkerem Wind haben.

Aber auch ohne ein optimiertes Design könnte eine 6-MW Windturbine, die die Hälfte der Zeit im Jahr läuft, laut Gao und Zhang 3 GW mehr Leistung mit einer Effizienzsteigerung des Generators von 10 Prozent erzeugen.

"Dies wird die Energiekosten eines Windparks senken und mehr Käufer für die Windenergie gewinnen", sagte Gao.

Die Flussdichte ist eine Eigenschaft von Permanentmagneten, die sich für die Stromerzeugung verwenden lassen. "Je höher die Flussdichte, die man für die Stromerzeugung verwendet, desto mehr Energie kann man erzeugen", sagte Gao. "Man muss eine höhere Flussdichte haben, um mehr Effizienz zu erzielen."

"Konventionelle Permanentmagnete aus Niob, Eisen und Bor wurden in den 90er Jahren industriell weit verbreitet, doch sie haben sich erheblichen Anstrengungen zur Verbesserung ihrer Leistung widersetzt", sagte die Materialwissenschaftlerin Zhang.

Permanentmagnete sind eine Klasse von Magneten, die ihre Magnetisierungs- und Flusslinien nach der Magnetisierung beibehalten, ähnlich einer Batterie, die eine elektrische Ladung hält.

"In den letzten 15 bis 20 Jahren erreichte die Zunahme des Magnetenergieprodukts aufgrund mangelnder Materiallösungen ein Plateau ", sagte Zhang. "Forscher haben verschiedene Möglichkeiten untersucht, um die Zusammensetzungen, Mikrostrukturen und Prozesse bestehender magnetischer Materialien zu verbessern."

"Jede Möglichkeit könnte zu einer kleinen Verbesserung des Energieprodukts des Magneten führen. Andererseits zerfällt der Magnetfluss eines Magneten mit der Entfernung schnell, was die Nutzung des Magnetflusses unzureichend macht."

Gao und Zhang verbesserten die Leistung von Permanentmagneten, indem sie die Hybridschichten aus Material so speziell kombinierten, dass sie den Streufluss reduzieren. Darüber hinaus können sie ihre Erfindung an die spezifischen Herausforderungen des Privatsektors anpassen.

"Wenn wir die Anwendung kennen, können wir die Schichten für diese Anwendung anpassen", sagte Zhang.

Bei Elektroautos beispielsweise beträgt die maximal zulässige Betriebstemperatur eines Motors etwa 150 °C. Bei Windkraftanlagen kann die Spitzentemperatur jedoch bis zu 300 °C betragen, was ein robusteres (nicht entmagnetisiertes) Magnetdesign für höhere Temperaturen erfordert.

"Es gibt Materialien, die bei höheren Temperaturen tatsächlich eine bessere Leistung erbringen", sagte Zhang.

Ein weiteres attraktives Merkmal der HyMag-Technologie ist, dass sie für bestimmte Anwendungen bis zu 90 Prozent weniger schwere Selten-Erde-Elemente wie Dysprosium und Gadolinium, bezogen auf das Gewicht, erfordern kann als die herkömmlichen Magnete mit ähnlicher Leistung.

Diese Elemente, die meist aus China importiert werden, sind knapp, teuer und schwer zu recyceln. Die Motoren in Elektro- und Hybridfahrzeugen enthalten etwa 100 g Dysprosium pro Motor.

Industrievertreter, die an einer Zusammenarbeit mit Argonne bei der Weiterentwicklung dieser Technologie für bestimmte Anwendungen oder an einer Lizenzierung interessiert sind, können sich an partners@anl.gov wenden.

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