Teslas Anspruch auf Seltenheit

Die Ankündigung von Tesla, einen seltenerdfreien Permanentmagnetmotor zu entwickeln, hat die Branche verblüfft. Welche Technologie könnte möglicherweise mit dem stärksten Magneten auf dem Markt konkurrieren?

Colin Campbell, Direktor für Antriebsstrangtechnik bei Tesla, ließ beim Investorentag von Tesla am 1. März eine echte Bombe platzen. „Wir haben unsere nächste Antriebseinheit, die einen Permanentmagnetmotor verwendet, so konzipiert, dass sie überhaupt keine Seltenerdelemente verwendet“, kündigte er an. Tesla hatte zuvor eine Reduzierung des Seltenerdanteils in den Antriebssträngen von Model 3 und Model Y um 25 Prozent gemeldet. Weitere Verbesserungen wurden erwartet, aber nur wenige hätten es für möglich gehalten, dass ein seltenerdfreier Permanentmagnetmotor kurz vor der kommerziellen Anwendung steht.

Die frühesten Modelle von Tesla verwendeten einen Induktionsmotor, bei dem die Magnetkraft, die den Rotor zum Drehen bringt, durch einen Wechselstrom erzeugt wird. Das 2017 eingeführte Modell 3 verfügt über Motoren, bei denen starke Permanentmagnete zur Erzeugung des Magnetfelds eingesetzt werden. Permanentmagnetmotoren (PM) bieten eine höhere Effizienz und Leistungsdichte. Laut einer Studie von IDTechex entfielen im Jahr 2022 über 80 Prozent des Marktes für Elektrofahrzeugmotoren auf PM-Motoren.

Dennoch sind die Automobilhersteller bestrebt, ihre Abhängigkeit von seltenen Erden zur Herstellung starker Magnete zu verringern. Viele verwenden noch immer die leistungsstarke Legierung aus Eisen, Bor und der seltenen Erde Neodym (NdFeB). Zur Feinabstimmung oder Verbesserung der Eigenschaften können weitere seltene Erden hinzugefügt werden. Chinas strenge Kontrolle über die Versorgung mit diesen Materialien stellt eine Belastung für die Automobilindustrie dar, insbesondere jetzt, wo die Kluft zwischen Peking und Washington zunimmt. China fördert etwa zwei Drittel des weltweiten jährlichen Bedarfs an Seltenen Erden und raffiniert einen noch höheren Prozentsatz.

Darüber hinaus sind die Preise für seltene Erden ein großes Problem. In der Vergangenheit waren sie starken Schwankungen unterworfen, und in Zukunft könnten sie unangenehm hoch steigen, wenn die Welt auf Elektrifizierung und nachhaltige Energiequellen wie Windmühlen setzt, was die Nachfrage nach starken Magneten ankurbeln wird. „Während die Welt auf saubere Energie umsteigt, steigt die Nachfrage nach Seltenen Erden wirklich dramatisch an, und es wird nicht nur etwas schwierig sein, diese Nachfrage zu decken, der Abbau seltener Erden birgt auch Risiken für die Umwelt und die Gesundheit“, erklärte Campbell.

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Das Problem ist die Physik. Neodym und einige andere seltene Erden verfügen über einzigartige Eigenschaften, die die magnetischen Eigenschaften von Eisen verstärken. Es gibt keinen Ersatz dafür – Seltenerd-Permanentmagnete sind die besten auf dem Markt. Daher die Verwirrung über Campbells Ankündigung. Alles, was Tesla sich ausgedacht hat, müsste entweder Leistungseinbußen erleiden oder sperriger und schwerer sein als der PM-Motor, den das Unternehmen derzeit verwendet.

Adamas Intelligence, ein auf Metalle und Mineralien spezialisiertes Forschungs- und Beratungsunternehmen, geht davon aus, dass der wahrscheinlichste Kandidat für den Ersatz von NdFeB in Teslas Motor der nächsten Generation der Ferritmagnet ist, der aus Eisenoxid gemischt mit verschiedenen Keramikmaterialien besteht. „Es ist ein bewährtes Konzept“, schreibt das Beratungsunternehmen und verweist auf ein Motordesign, das vor einigen Monaten von der japanischen Firma Proterial (ehemals Hitachi Metals) vorgestellt wurde.

Aber es ist keine „perfekte Alternative“. In Simulationen erreichte der Ferritmagnetmotor von Proterial die Leistung und maximale Drehzahl eines vergleichbaren Motors mit NdFeB-Magneten, jedoch mit einem „massiven“ Gewichtsnachteil von 30 Prozent. Eine zweite Konstruktion, bei der Leistung und Gewicht aufeinander abgestimmt waren, die jedoch mit einer um 50 Prozent höheren Drehzahl betrieben wurde, führte zu einer „Materialreduzierung“ des Drehmoments.

Eine weniger wahrscheinliche Option wäre der Eisennitrid-Magnet, bei dem hinzugefügte Stickstoffatome Veränderungen in der Kristallstruktur von Eisen bewirken und so die magnetischen Eigenschaften verbessern. Diese Technologie ist weniger ausgereift als Ferrit, aber Niron Magnetics, ein Spin-out der University of Minnesota, sagt, dass man kurz davor steht, ein Produkt auf den Markt zu bringen, das die Leistung von Seltenerdmagneten zu geringeren Kosten erreicht. Das Unternehmen arbeitet jedoch mit GM zusammen, nicht mit Tesla.

Hauptbildnachweis: Tesla

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