Teslas Magnet-Rätsel zeigt, dass Elon Musk zu Kompromissen bereit ist

Gregory Barber

Letzten Monat sorgte ein kleines Detail in Elon Musks „Masterplan Teil 3“ bei einer per Livestream übertragenen Tesla-Investorenveranstaltung, bei der es an neuen Autos mangelte und es an grandiosen Erzählungen mangelte, für große Schlagzeilen in einer obskuren Ecke der Physik. Colin Campbell, ein leitender Angestellter in der Antriebsstrangabteilung von Tesla, gab bekannt, dass sein Team Seltenerdmagnete aus seinen Motoren verbannen werde, und verwies auf Bedenken hinsichtlich der Lieferkette und der Toxizität ihrer Herstellung.

Um den Punkt zu unterstreichen, klickte Campbell zwischen zwei Folien, die sich auf drei mysteriöse Materialien bezogen, die hilfreich mit den Seltenen Erden 1, 2 und 3 beschriftet waren. Auf der ersten Folie, die Teslas Geschenk darstellt, reichen die Mengen von einem halben Kilo bis zu 10 Gramm. Beim nächsten Mal – dem Tesla eines unbestimmten zukünftigen Datums – wurden alle auf Null gesetzt.

Lauren Goode

Julian Chokkattu

Will Knight

Für Magnetisten, Leute, die die unheimlichen Kräfte untersuchen, die manche Materialien dank der Bewegungen von Elektronen ausüben, und die manchmal kryptische Handgesten verwenden, war die Identität von Rare Earth 1 offensichtlich: Neodym. Bei Zugabe zu bekannteren Elementen wie Eisen und Bor kann das Metall dazu beitragen, ein starkes, ständig aktives Magnetfeld zu erzeugen. Aber nur wenige Materialien haben diese Qualität. Und noch weniger erzeugen ein Feld, das stark genug ist, um einen 4.500 Pfund schweren Tesla zu bewegen – und viele andere Dinge, von Industrierobotern bis hin zu Kampfflugzeugen. Wenn Tesla vorhatte, Neodym und andere seltene Erden aus seinen Motoren zu entfernen, welche Art von Magneten würde es stattdessen verwenden?

Eines war den Physikern klar: Tesla hatte kein grundlegend neues Magnetmaterial erfunden. „Man bekommt ein paar Mal im Jahrhundert einen neuen kommerziellen Magneten“, sagt Andy Blackburn, EVP für Strategie bei Niron Magnetics, einem der wenigen Start-ups, die versuchen, die nächste Entdeckung dieser Art zu machen.

Wahrscheinlicher, so vermuteten Blackburn und andere Flux-Experten, war, dass Tesla beschlossen hatte, mit einem viel schwächeren Magneten auszukommen. Der offensichtliche Kandidat aus der kurzen Liste der Möglichkeiten, von denen die meisten teure und geopolitisch problematische Elemente wie Kobalt umfassen, war Ferrit: eine Keramik aus Eisen und Sauerstoff, gemischt mit etwas Metall wie Strontium. Es ist billig und einfach herzustellen und sorgt seit den 1950er-Jahren dafür, dass Kühlschranktüren überall geschlossen bleiben.

Aber Ferrit hat auch volumenmäßig nur etwa ein Zehntel der magnetischen Wirkung von Neodym-Magneten, was neue Fragen aufwirft. Elon Musk, CEO von Tesla, ist für seine Kompromisslosigkeit bekannt, aber wenn Tesla auf Ferrit umsteigt, schien es, dass etwas nachgeben muss. (Das Unternehmen antwortete nicht auf eine Bitte um Stellungnahme.)

Es ist verlockend zu glauben, dass es die Batterie ist, die ein Elektroauto antreibt, aber in Wirklichkeit ist es der Elektromagnetismus, der ein Elektroauto bewegt. (Es ist kein Zufall, dass Tesla, das Unternehmen, und Tesla, die Einheit des Magnetismus, nach demselben Mann benannt sind.) Wenn Elektronen durch Drahtspulen im Motor fließen, erzeugen sie ein elektromagnetisches Feld, das gegen entgegengesetzte Magnetkräfte drückt und rotiert die Welle des Motors und führt dazu, dass die Räder durchdrehen.

Für die Hinterräder eines Tesla werden diese Kräfte von einem Motor mit Permanentmagneten bereitgestellt, Materialien mit der seltsamen Eigenschaft, dank des gut orchestrierten Elektronenspins um seine Atome ein stetiges Magnetfeld ohne jegliche elektrische Eingabe zu haben. Tesla hat erst vor etwa fünf Jahren damit begonnen, diese Magnete in seine Autos einzubauen, um mehr Kilometer zurückzulegen und das Drehmoment zu steigern, ohne die Batterie aufzurüsten. Zuvor wurden Induktionsmotoren verwendet, die um Elektromagnete herum aufgebaut waren, die durch den Verbrauch von elektrischem Strom magnetisch werden. (Diese werden immer noch in Modellen verwendet, die über Frontmotoren verfügen.)

Das könnte dazu führen, dass es etwas seltsam erscheint, auf seltene Erden zu verzichten und auf die besten Magnete zu verzichten. Autohersteller legen in der Regel großen Wert auf Effizienz – vor allem bei Elektrofahrzeugen, bei denen es weiterhin darum geht, die Fahrer davon zu überzeugen, ihre Befürchtungen hinsichtlich der begrenzten Reichweite zu überwinden. Doch während die Autohersteller beginnen, die Produktion von Elektrofahrzeugen auszuweiten, erleben einige früher als zu ineffizient geltende Techniken ein Comeback.

Lauren Goode

Julian Chokkattu

Will Knight

Das zeigt sich daran, dass Autohersteller – darunter auch Tesla – mehr Fahrzeuge mit Batterien aus LFP, Lithiumeisenphosphat, produzieren. Dabei handelt es sich in der Regel um Modelle mit geringerer Reichweite als solche mit Batterien, die Elemente wie Kobalt und Nickel enthalten. Es handelt sich um ältere Technologie. Schwerer? Sicher. Packt auch weniger Energie. (Das aktuelle Model 3 mit LFP-Antrieb verspricht eine Reichweite von 272 Meilen, während ein Model S mit großer Reichweite und einer schickeren Batterie über 400 Meilen erreichen kann.) Aber es kann eine intelligentere Geschäftsentscheidung sein, weil es den Umgang mit teuren und politisch heiklen Materialien vermeidet.

Dennoch ist es unwahrscheinlich, dass Tesla seine Magnete einfach durch etwas viel Schlimmeres wie Ferrit ersetzt, ohne weitere Änderungen vorzunehmen. „Man hat einen riesigen Magneten, den man im Auto mit sich herumtragen kann“, sagt Alena Vishina, Physikerin an der Universität Uppsala. Glücklicherweise ist ein Motor eine ziemlich komplexe Maschine mit vielen anderen Komponenten, die theoretisch neu angeordnet werden können, um die Nachteile der Verwendung schwächerer Magnete abzumildern. In Computermodellen stellte das Materialunternehmen Proterial kürzlich fest, dass durch die sorgfältige Positionierung von Ferritmagneten und die Optimierung anderer Aspekte des Motordesigns viele Leistungskennzahlen von Motoren mit Seltenerdantrieb nachgebildet werden können. Das Ergebnis war in diesem Fall ein Motor, der nur etwa 30 Prozent schwerer war, ein Unterschied, der im Verhältnis zur Gesamtmasse eines Autos gering sein könnte.

Trotz dieser Kopfschmerzen gibt es für einen Automobilhersteller viele Gründe, sich von den Seltenen Erden zu trennen, sofern es ihm gelingt. Seit Anfang der 1990er Jahre, als Chinas Staatschef Deng Xiaoping die Metalle zum Äquivalent seines Landes zum saudischen Öl erklärte, sind sie eine Art Schlagwort für transpazifische geopolitische Ängste. Ganz zu schweigen davon, dass seltene Erden nichts mit Öl zu tun haben – der Gesamtmarkt hat ungefähr den gleichen Wert wie der US-Eiermarkt, und die Elemente können theoretisch überall auf der Welt abgebaut, verarbeitet und in Magnete umgewandelt werden. Aber China ist der einzige Ort, an dem das alles möglich ist.

Chinas Beinahe-Monopolstellung ist teilweise auf wirtschaftliche Gründe zurückzuführen – in den 1990er Jahren überschwemmten billige chinesische Seltene Erden den Markt, was die Schließung von Minen und die Verarbeitung in Ländern wie den USA beschleunigte – und teilweise auf Umweltbedenken. Der Abbau und die Raffinierung seltener Erden ist ein notorisch giftiges Geschäft, auch weil die wertvollsten Elemente, wie das magnetverstärkende Neodym, eng mit anderen seltenen Erden sowie radioaktiven Elementen wie Uran und Thorium verbunden sind. Heute produziert China fast zwei Drittel der weltweit geförderten Seltenen Erden und verarbeitet mehr als 90 Prozent der weltweiten Magnete.

„Sie haben eine 10-Milliarden-Dollar-Industrie, die Produkte im Wert von 2 bis 3 Billionen US-Dollar pro Jahr ermöglicht. Das ist eine enorme Hebelwirkung“, sagt Thomas Kruemmer, Mineralienanalyst und Autor des beliebten Blogs Rare Earth Observer. Das gelte auch für Autos, sagt er – selbst wenn sie nur ein paar Kilogramm davon enthalten. Wenn Sie sie herausnehmen, wird das Auto nicht fahren (es sei denn, Sie sind bereit, den gesamten Motor neu zu konstruieren).

Die USA und Europa versuchen, diese Lieferkette zu diversifizieren. Eine kalifornische Mine, die Anfang der 2000er Jahre geschlossen wurde, wurde kürzlich wiedereröffnet und liefert heute 15 Prozent der weltweiten Seltenen Erden – allerdings wird dieses Erz zur Verarbeitung nach China verschifft. In den USA waren Regierungsbehörden – insbesondere das Verteidigungsministerium, das starke Magnete für Ausrüstung wie Flugzeuge und Satelliten benötigt – daran interessiert, in Lieferketten im Inland und an befreundeten Orten wie Japan und Europa zu investieren. (Das Energieministerium untersucht unterdessen, wie Seetang genutzt werden kann, um seltene Erden aus dem Meerwasser zu binden.) Aber es geht langsam voran – angesichts der Kosten, des erforderlichen Know-hows und der Umweltprobleme dauert es Jahre oder sogar Jahrzehnte.

Lauren Goode

Julian Chokkattu

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Unterdessen steigt die Nachfrage nach Magneten, die in Dekarbonisierungsinstrumente wie Autos und Windkraftanlagen eingebaut sind. Laut Adamas Intelligence fließen derzeit 12 Prozent der Seltenen Erden in Elektrofahrzeuge, ein Markt, der gerade erst richtig Fahrt aufnimmt. Gleichzeitig sind die Preise für Seltene Erden in jüngster Zeit aufgrund interner chinesischer Märkte und politischer Eingriffe, die externe Unternehmen nicht immer vorhersagen können, stark angestiegen.

Alles in allem ist es wahrscheinlich sinnvoll, dies zu tun, wenn man in einem Unternehmen tätig ist, in dem man eine Alternative herstellen kann, sagt Jim Chelikowsky, ein Physiker, der an der University of Texas, Austin, magnetische Materialien untersucht. Aber es gebe viele Gründe, nach besseren Alternativen zu Seltenerdmagneten als Ferrit zu suchen, sagt er. Die Herausforderung besteht darin, Materialien mit drei wesentlichen Eigenschaften zu finden: Sie müssen magnetisch sein, diesen Magnetismus in der Gegenwart anderer Magnetfelder aufrechterhalten und hohen Temperaturen standhalten. Heiße Magnete hören auf, Magnete zu sein.

Forscher haben ein ziemlich gutes Gespür dafür, welche chemischen Elemente gute Magnete ergeben können, aber es gibt Millionen möglicher atomarer Anordnungen. Einige Magnetjäger haben den Ansatz gewählt, mit Hunderttausenden möglicher Materialien zu beginnen, diejenigen mit Nachteilen wie dem Gehalt an seltenen Erden auszusortieren und dann maschinelles Lernen zu nutzen, um die magnetischen Eigenschaften der verbleibenden Materialien vorherzusagen. Ende letzten Jahres veröffentlichte Chelikowsky Ergebnisse der Verwendung des Systems zur Herstellung eines neuen hochmagnetischen Materials, das Kobalt enthält. Das sei aus geopolitischer Sicht nicht ideal, aber es sei ein Ausgangspunkt, sagt er.

Die größte Herausforderung besteht oft darin, neue Magnete zu finden, die einfach herzustellen sind. Einige neu entwickelte Magnete, beispielsweise solche, die Mangan enthalten, seien vielversprechend, erklärt Vishina von der Universität Uppsala, aber auch instabil. In anderen Fällen wissen Wissenschaftler, dass ein Material außerordentlich magnetisch ist, aber nicht in großen Mengen hergestellt werden kann. Dazu gehört Tetrataenit, eine Nickel-Eisen-Verbindung, die nur aus Meteoriten bekannt ist und über Tausende von Jahren langsam abkühlen muss, um ihre Atome präzise in den richtigen Zustand zu bringen. Versuche, es im Labor schneller zu machen, sind im Gange, haben aber noch keine Früchte getragen.

Etwas weiter ist Niron, das Magnet-Startup, mit einem Eisennitrid-Magneten, der nach Angaben des Unternehmens theoretisch magnetischer ist als Neodym. Aber auch es ist ein launisches Material, das schwer herzustellen und in einer wünschenswerten Form zu konservieren ist. Blackburn sagt, das Unternehmen mache Fortschritte, werde aber keine Magnete produzieren, die stark genug seien, um Elektrofahrzeuge rechtzeitig für die nächste Fahrzeuggeneration von Tesla umzurüsten. Der erste Schritt sei, sagt er, die neuen Magnete in kleinere Geräte wie Soundsysteme einzubauen.

Es sei unklar, ob andere Autohersteller Teslas Kompromiss bei den seltenen Erden folgen würden, sagt Kruemmer. Einige bleiben vielleicht bei den mit Gepäck beladenen Materialien, während andere sich für Induktionsmotoren entscheiden oder etwas Neues ausprobieren. Sogar Tesla, sagt er, werde wahrscheinlich ein paar Gramm seltene Erden in seine künftigen Fahrzeuge einstreuen, etwa in die automatischen Fensterheber, die Servolenkung und die Scheibenwischer. (In einem möglichen Taschenspielertrick wurde auf den Folien, die den Gehalt an seltenen Erden auf der Investorenveranstaltung von Tesla gegenüberstellten, tatsächlich ein ganzes Auto der aktuellen Generation mit einem zukünftigen Motor verglichen.) Trotz Umgehungslösungen, wie sie bei Tesla in Arbeit sind, werden die aus China bezogenen Seltenerdmagnete bestehen bleiben mit uns – einschließlich Elon Musk – insbesondere da die Welt auf Dekarbonisierung drängt. Es wäre vielleicht schön, alles zu ersetzen, aber wie Kruemmer sagt: „Wir haben einfach keine Zeit.“