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May 20, 2023

Magnete prägen die Milliardäre von morgen

In einer der kultigsten Szenen von „The Graduate“ spielt Dustin Hoffmans junges

In einer der kultigsten Szenen von The Graduate erhält Dustin Hoffmans junger Charakter Benjamin Braddock unaufgefordert einen Investitionsratschlag von einem Freund der Familie: „Kunststoffe“.

Sehen Sie sich diese Szene heute noch einmal an, und der schwachsinnige Benjamin hört vielleicht ein anderes Wort: Magnete. In den letzten Jahren ist der bescheidene Magnet für eine Reihe moderner Industrien, von Elektrofahrzeugen bis hin zu Windkraftanlagen, unverzichtbar geworden. Es handelt sich um einen High-Tech-Baustein, mit dem man Vermögen machen kann.

In der wenig bekannten Geschichte, wie Magnete die Welt eroberten, geht es um mehr als exotische Metalle und Spitzenforschung. In zunehmendem Maße handelt es sich dabei um eine Geschichte der Geopolitik, wobei die wachsenden Spannungen zwischen China und den Vereinigten Staaten einen zentralen Teil der Geschichte bilden.

Vor der industriellen Revolution waren Magnetitstücke die einzigen Objekte mit permanentmagnetischen Eigenschaften. Die „Steine“ bestanden aus drei Teilen Eisen und vier Teilen Sauerstoff sowie ein paar anderen wichtigen Inhaltsstoffen wie Aluminium, Titan und Mangan. Und zu guter Letzt: Blitze.

Wenn ein Magnetitbrocken von einem Blitz aus heiterem Himmel getroffen wird, ordnet das Magnetfeld des Blitzes die Ionen im Gestein neu an und verleiht seiner Oberfläche magnetische Eigenschaften. Dieses bemerkenswerte Phänomen hilft zu erklären, warum natürliche Magnete vor der Neuzeit geschätzte Kuriositäten waren.

Irgendwann im Mittelalter fand jemand einen anderen Weg: Man rieb eine Eisennadel an einem Magnetstein und auch die Nadel erlangte magnetische Kräfte. Diese Entdeckung, die zur Erfindung des Kompasses führte, war wohl die erste praktische Anwendung eines Magneten (obwohl es erwähnenswert ist, dass einige mittelalterliche Ärzte auch glaubten, Magnetsteine ​​könnten Haarausfall heilen – und als Bonus als Aphrodisiakum dienen).

Im 18. und 19. Jahrhundert entdeckten Wissenschaftler, dass ein elektrischer Strom, der durch einen Draht fließt, bestimmten Metallen magnetische Eigenschaften verleiht. Die daraus resultierenden „Elektromagnete“ fanden Eingang in eine Reihe industrieller Anwendungen. Sie funktionierten jedoch nur, wenn der Strom eingeschaltet war, was ihren Nutzen einschränkte und die Suche nach anderen „Permanent“-Magneten anspornte.

Die ersten Fortschritte bei einfachen Eisenmagneten kamen mit der Entwicklung von Stahllegierungen, die in einem Magnetfeld hergestellt wurden. Diese Legierungen hatten eine weitaus größere magnetische Kraft als gewöhnliche Magnetsteine, gemessen mit einer Einheit namens Oersted (benannt nach dem dänischen Wissenschaftler Hans Christian Ørsted). Für einen zuverlässigen Einsatz in Elektromotoren jeglicher Art reichte es jedoch noch nicht aus.

Japan übernahm 1918 die Führung und hatte in den 1930er Jahren eine neue Generation von Permanentmagneten entwickelt, indem es gewöhnliches Eisen mit Aluminium, Nickel und Kobalt säuerte – daher der Name Alnico-Magnete. Diese Megamagnete übertrafen ihr Gewicht und ergaben 400 Oersteds im Vergleich zu 50 bei einem einfachen Magnetstein. Dann kam die Entdeckung, dass das Glühen dieser Legierungen in einem Magnetfeld ihre Wirkung weiter vervielfachte.

Die Welt verfügte nun über Permanentmagnete, die Elektromagnete ersetzen konnten. In der Zeit nach dem Zweiten Weltkrieg fanden diese neuen Magnete schnell eine wachsende Rolle in allen Bereichen, von Elektromotoren bis hin zu Sensoren, Tankanzeigen, Mikrofonen und anderen Geräten.

1958 kam ein wenig bekannter österreichischer Materialwissenschaftler namens Karl J. Strnat in die USA, um der Luftwaffe bei der Entwicklung noch stärkerer Magnete für ihre hochmodernen Raketen und Jets zu helfen. Strnat verfügte über Fachwissen über eine esoterische Ansammlung von Elementen, die als seltene Erden bekannt sind, 15 Elemente, die in einer horizontalen Linie unterhalb des Kernperiodensystems verlaufen, beginnend mit Lanthan und endend mit Lutetium.

Seltene Erden waren zwar nicht besonders selten, aber schwer zu verarbeiten und zu reinigen. Doch neue, vom Manhattan-Projekt inspirierte Methoden ermöglichten es Chemikern, einzelne Seltene Erden in beträchtlichen Mengen zu extrahieren. Strnat und Kollegen kamen zu der Überzeugung, dass die Elemente vielversprechende Kandidaten für eine neue Generation von Magneten seien. Unglücklicherweise verloren die Elemente ihre magnetische Kraft, sobald sie Raumtemperatur erreichten, was ihren Nutzen einschränkte.

Aber was wäre, wenn Seltene Erden mit einem anderen Element wie Kobalt kombiniert würden? Diese Entdeckung – der „magnetokristallinen Anisotropie in intermetallischen Seltenerd-Kobalt-Verbindungen“ – gilt als eine der größten Errungenschaften der modernen Materialwissenschaft. Strnat und sein Unternehmen hatten einen Weg gefunden, funktionelle Seltenerdmagnete herzustellen.

Wenn es Gerechtigkeit im Universum gäbe, gäbe es Statuen von Strnat im Silicon Valley und anderen High-Tech-Zentren. Innerhalb weniger Jahre entwickelten sein Labor und andere, die von der Entdeckung begeistert waren, eine Reihe neuer Seltenerdmagnete. Einige davon, wie zum Beispiel SmCo5 – ein Teil Samarium und fünf Teile Kobalt – erreichten 25.000 Oersted.

In einem 1970 veröffentlichten Artikel prognostizierte Strnat, dass seine Seltenerdmagnete bald in einer Reihe von Produkten verwendet werden würden, von „elektrischen Armbanduhren“ bis hin zu Mikrowellenröhren; Elektromotoren und Generatoren, auch für „sehr große Maschinen“. Er unterschätzte ihr Potenzial.

Die Entwicklung noch leistungsfähigerer Seltenerd-Neodym-Magnete in den frühen 1980er Jahren öffnete die Tür für weitere Anwendungen. Seltenerdmagnete sind in der Elektronik, in Waffensystemen, Mobiltelefonen, Digitalkameras, Festplatten und nicht zuletzt in den Motoren von Elektroautos allgegenwärtig.

Aber es gab ein Problem. Der Abbau und die Reinigung seltener Erden erwies sich als chaotische Angelegenheit und verursachte eine Menge Abfall und Schadstoffe. Es war viel einfacher, die Produktion nach China auszulagern, wo sich einige der reichsten Seltenerdvorkommen der Welt befinden. Nach dem Ende des Kalten Krieges, als die Globalisierung ein beispielloses Ausmaß erreichte, war dies kein Problem mehr. Nun nehmen die Spannungen mit China zu und gefährden die Versorgungssicherheit.

Ein Teil der Lösung liegt darin, die Produktion seltener Erden hier in den USA anzukurbeln. Wenn wir jedoch unsere Abhängigkeit von seltenen Erden verringern und gleichzeitig genügend Magnete produzieren wollen, um die wachsende Nachfrage zu decken, brauchen wir eine neue Innovationsrunde.

Es ist bereits im Gange – zumindest theoretisch. Eisen-Nickel-Verbundwerkstoffe – insbesondere Tetrataenit – sind als Rohstoff für einen neuen Magneten des 21. Jahrhunderts vielversprechend. Aktuelle Studien haben das Potenzial unterstrichen. Das Einzige, was fehlt, ist das menschliche Element: ein moderner Karl J. Strnat, der sich der Herausforderung widmet.

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Diese Kolumne spiegelt nicht unbedingt die Meinung der Redaktion oder von Bloomberg LP und seinen Eigentümern wider.

Stephen Mihm, Professor für Geschichte an der University of Georgia, ist Mitautor von „Crisis Economics: A Crash Course in the Future of Finance“.

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