Ressourcen für die Energiewende besser nutzen

Um die Abhängigkeit von kritischen Rohstoffen und schädliche Umweltwirkungen in einer Wachstumsbranche zu minimieren, arbeitet die Universität für Weiterbildung Krems im Rahmen eines Christian Doppler Labors unter der Leitung von Thomas Schrefl am Magnet Design für die E-Mobilität der Zukunft.
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Am Bild zu sehen ist Thomas Schrefl von der Universität für Weiterbildung Krems

Thomas Schrefl leitet seit Ende 2020 das Christian Doppler Labor für Magnetdesign an der Universität für Weiterbildung Krems, welches sich mit der Entwicklung leistungsfähiger Dauermagnete beschäftigt. Diese kommen in Generatoren und Elektro-Motoren von der Windkraftanlage bis zum Hybrid-Fahrzeug zum Einsatz – sie sind gleichsam die stillen Begleiter der Energiewende und ein technisches Fundament für die breite Elektrifizierung. Doch die bewährten Bauanleitungen für Magnete, wie sie aktuell im Einsatz sind, brauchen ein Update. Benötigt werden bestimmte Metalle und sogenannte Seltene Erden. Seltene Erden wurden von der EU zuletzt als kritische Rohmaterialien eingestuft, weil sie beinahe zu 100 Prozent aus China bezogen werden. „Um die Energiewende zu schaffen, brauchen wir viel mehr E-Mobilität und Stromproduktion, was uns in eine kritische Abhängigkeit treibt“, so Schrefl. Ein guter Grund, um in optimiertes Design von Magnetmaterialien zu investieren: „Wir beschäftigen uns damit, den Wirkungsgrad der Magnete zu erhöhen, magnetische Materialen günstiger zu machen, weniger Seltene Erden einzusetzen und die Abhängigkeit so zu reduzieren.“

Am Bild zu sehen ist Thomas Schrefl von der Universität für Weiterbildung Krems neben einer E-Lade-Station
„Um die Energiewende zu schaffen, brauchen wir viel mehr E-Mobilität und Stromproduktion, was uns in eine kritische Abhängigkeit treibt“, so Thomas Schrefl.

Künstliche Intelligenz berechnet etliche Varianten

Im CD-Labor werden durch Algorithmen auf Computerclustern „übermenschlich“ viele chemische Zusammensetzungen und mögliche Anordnungen von Materialien in Magneten simuliert und optimiert. Für E-Autos wird dabei stets versucht, die Reichweite in kleinen, kompakten Motoren zu erhöhen. Hier arbeitet das Team eng mit dem japanischen Autohersteller Toyota zusammen. Ein konkretes Jahr für die Produktion eines Elektromagneten mit null Prozent Seltenen Erden kann Thomas Schrefl nicht nennen: „Es wird weltweit geforscht, laufend verbessert und umgesetzt. Die Anteile von Terbium und Dysprosium konnten schon deutlich reduziert werden, auch Neodym wird teilweise schon ersetzt. Es ist wichtig, sich auf den Weg zu machen. Wenn wir nichts ändern, brauchen wir 2050 bis zu siebenmal so viel Seltene Erden wie heute.“

Auch das Recycling von Magnetmaterialien spielt eine wichtige Rolle, steht aber noch am Anfang. Der neue Critical Raw Material Act der EU legt ein Recyclingziel von 15 Prozent fest und finanziert Initiativen und Forschungsprojekte, die die Kreislauffähigkeit behandeln: „Da muss noch viel geschehen bei der Kennzeichnung der Materialien und der Gestaltung der Motoren. Auch hier sind wir als Universität für Weiterbildung Krems beteiligt.“ Wie die Reduktion der SE-Anteile ist auch die Verbesserung des Recyclings ein laufender Prozess.

Dauermagnete
Diese Magnetdarstellung zeigt die Berechnung von magnetischen Domänen in Dauermagneten.

Mehr Schwung durch Datenaustausch

Seit 2024 beteiligt sich das Team von Thomas Schrefl an einer europäischen Open Source Simulationsplattform für die Mobilität der Zukunft (MaMMos), an der neben Siemens und Bosch auch Forschungsinstitute in Schweden, Frankreich und Deutschland beteiligt sind. Es geht es um die gemeinsame Nutzung von Daten und Software zur Materialentwicklung durch Forschungseinrichtungen und Firmen, um rascher Fortschritte zu machen. Dabei werden innerhalb Europas einheitliche Standards für den Datenaustausch geschaffen. Bisher war die Optimierung sehr aufwändig, weil es keine Standardsoftware gab. Mit den MaMMos- Werkzeugen sollen leicht und schnell neue Materialien im Bereich magnetische Sensoren und Dauermagnete entwickelt werden. Die Universität für Weiterbildung Krems punktet in diesem Verbund mit der ausgereiften Materialsimulation bei der Magnetstruktur und -stärke.

Windräder in Rapsfeldern
Thomas Schrefl und sein Team sind mit der Entwicklung leistungsfähiger Dauermagnete beschäftigt. Sie kommen in Generatoren und Elektro-Motoren von der Windkraftanlage bis zum Hybrid-Fahrzeug zum Einsatz.

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Thomas Schrefl ist Leiter des Zentrums für Modellierung und Simulation am Department für Integrierte Sensorsysteme der Universität für Weiterbildung Krems. Er studierte Technische Physik an der TU Wien und forschte an mehreren Universitäten und Forschungsstätten weltweit. Seit 2020 leitet er das Christian Doppler-Labor für Magnetdesign durch physikalisch fundiertes maschinelles Lernen.

© Klaus Ranger | © unsplash
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