Keine Kupferspulen: Extrem leichter Elektromotor mit Kohlenstoff

Ein Team des Korea Institute of Science and Technology (KIST) hat einen Durchbruch bei der Entwicklung leichterer Elektromotoren er­zielt. Es gelang ihnen, ein System zu entwickeln, bei dem komplett auf den Einsatz von Metallen verzichtet werden kann.

Kohlenstoff-Nanoröhrchen im Einsatz

Ein Kern-Bestandteil eines Elektromotors sind eigentlich die Kupferspulen, von denen das Magnetfeld erzeugt wird, das für die Bewegung sorgt. Unter der Leitung von Dae-Yoon Kim gelang es den Wissenschaftlern nun aber, einen Motor zu konstruieren, dessen Spulen vollständig aus Kohlenstoff-Nanoröhren (CNTs) bestehen.

Die Gewichtsreduzierung spielt in vielen Zukunftstechnologien eine zentrale Rolle, etwa bei Elektrofahrzeugen, Drohnen oder Raumfahrtsystemen. Weniger Gewicht bedeutet geringeren Energieverbrauch, größere Reichweite und letztlich eine bessere Klimabilanz. Da die Spulen in Elektromotoren einen großen Teil des Gesamtgewichts ausmachen und bisher meist aus Kupfer bestehen, könnte der Ersatz dieses Metalls weitreichende Folgen haben. Kupfer leitet zwar Strom hervorragend, ist jedoch schwer, teuer und unterliegt starken Preisschwankungen auf den Weltmärkten.


CNTs gelten seit Jahren als vielversprechendes Material: Sie sind sehr leicht, äußerst stabil und verfügen über hohe elektrische Leitfähigkeit. Bisher scheiterte ihr großflächiger Einsatz jedoch an Verunreinigungen, die bei der Herstellung zurückbleiben. Vor allem Katalysator-Metalle lagern sich an den Nanoröhren ab und beeinträchtigen die Stromleitfähigkeit.

Um das Material in einer Menge und Qualität zu erhalten, mit dem Motoren gebaut werden können, hat das KIST-Team erst einmal ein neues Reinigungsverfahren entwickelt, das auf der besonderen Ausrichtung von Flüssigkristallen basiert. Während sich die CNTs an den Kristallstrukturen orientieren, werden Metallreste schonend von der Oberfläche entfernt, ohne die empfindliche Nanostruktur zu beschädigen. Dadurch lassen sich Spulen mit deutlich verbesserter Leitfähigkeit herstellen, die für den Betrieb in Elektromotoren geeignet sind.

Noch viele Fragen

In ersten Tests zeigten die Forscher, dass sich die Drehzahl des Motors präzise durch die Eingangsspannung steuern ließ - ein Beleg dafür, dass CNT-Spulen ihre grundlegende Aufgabe erfüllen: elektrische Energie in Bewegung umzuwandeln. Sollte die Technologie in größerem Maßstab funktionieren, könnten Motoren künftig leichter, effizienter und weniger abhängig von Kupfer werden. Für die Praxis müssen allerdings noch Fragen zur Leistungsdichte, Wärmeabfuhr und Kosten geklärt werden.

"Mit der neuen CNT-Technologie konnten wir die elektrische Leistungsfähigkeit so weit steigern, dass Elektromotoren erstmals ohne Metalle betrieben werden können", erklärte Kim. Langfristig sollen CNTs nicht nur in Motoren, sondern auch in Batterien, Halbleiter-Komponenten und Robotikkabeln eingesetzt werden.


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