Toolkit für innovative magnetische Materialien: Das MaMMoS-Projekt

Werkstoffe 09. 06. 2024
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Innovative Open-Source-Simulationssoftware-Plattform für die Entwicklung grünerer Magnete

Magnete sind für viele der heutigen Technologien von entscheidender Bedeutung, von den Generatoren in Windturbinen und den Motoren für Elektrofahrzeuge, die zur Verringerung der Erderwärmung beitragen, bis hin zu Computern, Sensoren und Smartphones. Trotz der enormen Bedeutung von Magneten sind die in ihnen enthaltenen Seltenen Erden knapp und schwierig abzubauen und zu trennen, so dass ihre Herstellung gravierende Umweltprobleme verursachen kann. Darüber hinaus müssen 98 Prozent dieser in der EU benötigten Rohstoffe importiert werden – ein Aspekt, der erhebliche wirtschaftliche Abhängigkeiten verursacht.

Nun haben sich Wissenschaftler aus Österreich, Frankreich, Deutschland und Schweden mit zwei großen Technologieunternehmen zusammengetan, um ­umweltfreundlichere Magnete aus nachhaltigen Materialien zu entwickeln. Sie richten eine Open-Source-Softwareplattform ein, ein besonders leistungsfähiges Toolkit mit fortschrittlichen Modellierungsprogrammen, um das Verhalten von magnetischen Materialien zu simulieren und sie auf spezifische Anwendungen zuzuschneiden, berichtet das Leibniz Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (IFW Dresden). Die bahnbrechende Magnetic Multiscale Modelling Suite (MaMMoS) wird Experimente, Simulationen und künstliche Intelligenz (KI) kombinieren, um innovative magnetische Materialien zu identifizieren und zu entwerfen und sie für modernste Geräte und Sensoren zu optimieren. Das auf vier Jahre angelegte Projekt wurde im Januar in Wiener Neustadt, Österreich, gestartet und wird von der Europäischen Union mit sechs Millionen Euro gefördert.

Umweltfreundlichere Dauermagnete sind von größter Bedeutung im Wettlauf um die Bewältigung der aktuellen klimatischen Herausforderungen, sagt Projektkoordinator Thomas Schrefl, Leiter des Zentrums für Simulation und Modellierung an der Universität für Weiterbildung Krems, Österreich: Das Projekt MaMMoS leiste einen Beitrag zum Green New Deal der EU, indem es Methoden entwickelt, um den Einsatz kritischer Rohstoffe in Hochleistungsmagneten, die integraler Bestandteil von Elektromotoren und Generatoren sind, zu minimieren.

Zu den weiteren wissenschaftlichen Projekt­partnern gehören das Max-Planck-­Institut für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) in Hamburg, das Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung in ­Dresden (IFW Dresden), die Universität Uppsala in Schweden und das Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) in Grenoble, Frankreich. Zwei der weltweit bekanntesten deutschen Technologieunternehmen, die Siemens AG und die Robert Bosch GmbH, werden weitreichendes industrielles Fachwissen sowie Forschungs- und Entwicklungskapazitäten in das Modellierungsprogramm einbringen.

Die teilnehmenden Einrichtungen sind auf die Modellierung, Charakterisierung oder Herstellung von magnetischen Materialien auf verschiedenen Längenskalen spezialisiert. Dieser Reichtum an ­Simulationswerkzeugen, Charakterisierungsmethoden und technischem Know-how wird in MaMMoS gebündelt, so dass die Softwareplattform die ­Modellierung eines breiten Spektrums ­vielversprechender Materialien unterstützen kann. Wir werden das MaMMoS Multi-Skalen-Modellierungs-Framework als Open Source im Internet zur Verfügung stellen, erklärt Hans Fangohr, der Projektleiter am Hamburger MPSD. Durch diese Zugänglichkeit maximieren wir den potenziellen Nutzen der Investition für alle Länder, Industrien und die Wissenschaft und tragen zur dringend benötigten grünen Revolution bei.

Am IFW Dresden werden die Materialien mit Hilfe der Elektronenmikroskopie auf Längen­skalen von Nanometern bis Zentimetern charakterisiert und die magnetischen Eigenschaften bei verschiedenen Temperaturen gemessen. Die Daten aus diesen Messungen werden der Forschungsgemeinschaft in standardisierten, offenen Formaten zugänglich gemacht und in der Multiskalen-Modellierungssuite zum Trainieren und Überprüfen der maschinellen Lernalgorithmen verwendet.

Letztendlich verspricht MaMMoS einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung von neuartigen magnetischen Materialien zu leisten und dabei zu helfen, viele Seltene Erden enthaltende Magnete zu ersetzen. Die mit den verschiedenen Simulations- und Charakterisierungswerkzeugen gesammelten Daten werden die Experimente untermauern, und das Projekt als Ganzes stellt einen bedeutenden Schritt nach vorn in der Magnetforschung dar. Nach seiner vollständigen Einrichtung wird MaMMoS als bahnbrechende Kooperationsplattform dienen, die wichtige technologische Lösungen für den Aufbau einer nachhaltigeren Zukunft bietet, in der Technologie und Umweltverantwortung Hand in Hand gehen.

Text zum Titelbild: Berechnung magnetischer Domänen in Dauermagneten (© Alexander Kovacs, Universität für Weiterbildung Krems)

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