Die KI erschließt eine magnetische Zukunft: 25 seltene-erden-freie Kandidaten für E-Fahrzeug-Motoren entdeckt

In einer bahnbrechenden Entwicklung für die Materialwissenschaft und die Elektrofahrzeug-Industrie (EV) haben Forscher der University of New Hampshire (UNH) künstliche Intelligenz (Artificial Intelligence) eingesetzt, um 25 vielversprechende neue magnetische Materialien zu identifizieren, die nicht auf Seltenerdelementen basieren. Diese Entdeckung, die in einer kürzlich in Nature Communications veröffentlichten Studie detailliert beschrieben wurde, stellt einen bedeutenden Schritt zur Verringerung der Abhängigkeit des globalen Technologiesektors von volatilen Lieferketten und kostspieligen Bergbauprozessen dar.

Seit Jahrzehnten sind die für E-Fahrzeug-Motoren und Windturbinen unverzichtbaren Hochleistungs-Dauermagnete stark auf Seltenerdelemente wie Neodym und Dysprosium angewiesen. Obwohl diese Materialien effektiv sind, bringen sie einen hohen ökologischen und geopolitischen Preis mit sich. Der Durchbruch des UNH-Teams, der durch fortschrittliche Algorithmen für maschinelles Lernen ermöglicht wurde, deutet darauf hin, dass die Lösung für eine nachhaltige Energiezukunft direkt vor unseren Augen gelegen haben könnte – verborgen in Jahrzehnten wissenschaftlicher Literatur.

Die Northeast Materials Database: Eine digitale Schatzkarte

Kernstück dieses Erfolgs ist die Erstellung der Northeast Materials Database, einer massiven, frei zugänglichen Ressource, die 67.573 magnetische Verbindungen enthält. Im Gegensatz zu herkömmlichen experimentellen Methoden, die oft eine Trial-and-Error-Synthese im Labor erfordern, setzten die UNH-Forscher einen KI-gesteuerten Ansatz ein, um vorhandenes wissenschaftliches Wissen zu „schürfen“.

Das Team unter der Leitung des Doktoranden Suman Itani entwickelte ein spezialisiertes KI-System, das in der Lage ist, Tausende von wissenschaftlichen Arbeiten zu lesen und zu interpretieren. Die Algorithmen extrahierten kritische experimentelle Daten, die dann verwendet wurden, um Computermodelle zu trainieren, die zwei lebenswichtige Merkmale vorhersagen: ob ein Material magnetisch ist und, entscheidend, seine Curie-Temperatur – der Schwellenwert, ab dem ein Material seine magnetischen Eigenschaften verliert.

"Wir gehen eine der schwierigsten Herausforderungen der Materialwissenschaft an – die Entdeckung nachhaltiger Alternativen zu Dauermagneten – und wir sind optimistisch, dass unsere experimentelle Datenbank und die wachsenden KI-Technologien dieses Ziel erreichbar machen werden", sagte Jiadong Zang, Physikprofessor an der UNH und Co-Autor der Studie.

Dieser Hochdurchsatz-Screening-Prozess filterte den massiven Datensatz auf 25 bisher nicht erkannte Verbindungen herunter, die ihren Magnetismus bei hohen Temperaturen beibehalten. Hochtemperaturstabilität ist eine unverzichtbare Anforderung für E-Fahrzeug-Motoren, die im Betrieb erhebliche Wärme erzeugen.

Den Würgegriff der Seltenen Erden brechen

Die Bedeutung dieser Entdeckung kann im Kontext der heutigen Weltwirtschaft nicht hoch genug eingeschätzt werden. Seltenerdelemente sind notorisch schwierig zu extrahieren und zu verarbeiten, was oft zu erheblichen Umweltschäden führt. Darüber hinaus ist die Lieferkette stark konzentriert, was Schwachstellen für westliche Hersteller von Hightech-Gütern schafft.

Durch die Identifizierung praktikabler seltene-erden-freier Alternativen bietet die UNH-Forschung einen Weg zu:

• Niedrigere Produktionskosten: Der Wegfall teurer Importe von Seltenen Erden könnte die Kosten für die Herstellung von Elektromotoren erheblich senken.
• Sicherheit der Lieferkette: Die Beschaffung von Materialien, die reichlicher vorhanden und geologisch besser verteilt sind, verringert das Risiko von Handelsengpässen.
• Ökologische Nachhaltigkeit: Die Verringerung der Nachfrage nach Seltenerd-Bergbau mildert den ökologischen Fußabdruck, der mit sauberen Energietechnologien verbunden ist.

Übersicht über die wichtigsten Forschungsergebnisse

Die folgende Tabelle fasst die kritischen Kennzahlen und Auswirkungen der UNH-Studie zusammen und hebt die Effizienz des KI-gesteuerten Ansatzes im Vergleich zu herkömmlichen Entdeckungsmethoden hervor.

Beschleunigung des Innovationszyklus

Die vom UNH-Team angewandte Methodik verdeutlicht einen Paradigmenwechsel in der Art und Weise, wie wissenschaftliche Entdeckungen durchgeführt werden. Der „traditionelle“ Weg der Materialentdeckung ist linear und arbeitsintensiv: Hypothesen aufstellen, synthetisieren, testen und wiederholen. Im Gegensatz dazu fungiert der hier verwendete KI-Ansatz als Kraftmultiplikator, der es den Forschern ermöglicht, die anfängliche Synthesephase für Tausende von aussichtslosen Kandidaten zu überspringen und ihre physische Laborarbeit nur auf die vielversprechendsten Leads zu konzentrieren.

Yibo Zhang, ein an dem Projekt beteiligter Postdoktorand, merkte an, dass die in dieser Studie verwendeten großen Sprachmodelle (Large Language Models, LLMs) Anwendungsmöglichkeiten weit über den Magnetismus hinaus haben. Die Fähigkeit der Technologie, komplexe wissenschaftliche Bilder und Daten in strukturierte, durchsuchbare Formate umzuwandeln, könnte die Art und Weise revolutionieren, wie wir historische wissenschaftliche Daten in der Physik und Chemie bewahren und nutzen.

Auswirkungen auf die E-Fahrzeug-Industrie und darüber hinaus

Für die Automobilindustrie kommt diese Forschung zu einem kritischen Zeitpunkt. Während die Automobilhersteller darum wetteifern, ihre Flotten zu elektrifizieren, droht der drohende Mangel an Seltenerdmetallen die Produktion zu verlangsamen und die Preise in die Höhe zu treiben. Die 25 vom UNH-Team identifizierten Kandidaten fungieren als „Shortlist“ für die nächste Generation der Motorenentwicklung.

Obwohl diese Materialien noch eine strenge physische Synthese und Tests erfordern, um ihre kommerzielle Lebensfähigkeit zu bestätigen, bietet die Northeast Materials Database einen Fahrplan, der gestern noch nicht existierte. Hersteller können nun ihre F&E-Bemühungen auf diese hochgradig wahrscheinlichen Verbindungen konzentrieren, anstatt im Dunkeln zu tappen.

Darüber hinaus erstrecken sich die Auswirkungen auf die erneuerbaren Energien. Windturbinengeneratoren, die ebenfalls auf massive Dauermagnete angewiesen sind, werden von denselben Kostensenkungen und Effizienzgewinnen profitieren.

Fazit: Ein datengesteuerter Weg in die Zukunft

Die Konvergenz von künstlicher Intelligenz und Materialwissenschaft erweist sich als einer der stärksten Treiber moderner Innovation. Die Arbeit von Suman Itani, Jiadong Zang und ihren Kollegen an der University of New Hampshire dient als überzeugender Machbarkeitsnachweis: KI generiert nicht nur neue Texte oder Bilder; sie kann physische Lösungen für reale Hardware-Probleme zutage fördern.

Da das US-Energieministerium solche Initiativen weiterhin unterstützt, können wir erwarten, dass sich die Lücke zwischen theoretischem Potenzial und industrieller Anwendung verkleinert. Für den Elektrofahrzeugsektor ist der Weg in eine Zukunft ohne seltene Erden deutlich klarer geworden. Die nächste Phase wird darin bestehen, diese digitalen Entdeckungen in greifbare Magnete zu verwandeln, die die Räder der Zukunft antreiben.