Südkoreanische Forscher bauen Elektromotor ohne Metall

Rohstoffe wie Kupfer werden knapp, das liegt auch an der Elektromobilität. Forscher aus Südkorea haben einen neuen Elektromotor entwickelt, der kein Metall enthalten soll. Die Spulen bestehen nach Angaben des Korea Institute of Science and Technology (KIST) aus Kohlefaser.

Das Team um Dae-Yoon Kim hat Drähte aus Kohlenstoffnanoröhren (Carbon Nanotubes, CNT) hergestellt. Die Drähte erfüllen nicht nur den Zweck, Strom zu leiten. Sie sind zudem sehr flexibel und leicht.

Core-Sheath Composite Electric Cable (CSCEC) nennt das Team die Drähte, die es in der Fachzeitschrift Advanced Composites and Hybrid Materials beschreibt. Er besteht aus einem Draht aus Kohlenstoffnanoröhren, der von einer dünnen Schicht aus einem Polymer umgeben ist.

Aus diesem CSCEC hat das Team die Spulen für den Prototyp eines Motors geschaffen, der gerade mal genug Leistung hat, um ein Spielzeugauto anzutreiben. Bei Tests erreichte der Motor bei einer Spannung von 3 Volt eine Drehzahl von 3420 Umdrehungen pro Minute (U/min). Ein kleines Auto, das von ihm angetrieben wurde, erreichte eine Geschwindigkeit von 0,52 m/s (1,8 km/h).

Kupfer leitet besser

Ein gleich starker Motor mit Kupferwicklungen erreichte in einem Vergleichstest 18.120 U/min und beschleunigte das Auto auf 1,35 m/s (4,86 km/h). Grund ist, dass die Kupferdrähte eine höhere Leitfähigkeit haben als die CSCEC. Bei gleicher Abmessungen und gleicher Spannung fließt weniger Strom. Entsprechend ist auch die Leistung geringer.

Der Vorteil zeigt sich jedoch im Gewicht: Die Kupferspule wiegt 379 Milligramm, die aus CSCEC kommt auf gerade mal 78 Milligramm. Damit hat letztere eine gute spezifische Drehzahl und ist fast gleichwertig mit der Kupferspule (94 Prozent).

Die spezifische Drehzahl beschreibt die Umdrehungen pro Gewichtseinheit und ist eine wichtige Kennzahl für die Luft- und Raumfahrt, wo es sehr auf das Gewicht ankommt. Damit eignet sich ein solcher Motor beispielsweise gut als Antrieb für elektrische Flugzeuge, Flugtaxis oder Drohnen. Auch in der Robotik könnte er eingesetzt werden.

Gewichtsersparnis bringt Reichweite

Eine geringere rotierende Masse in einem Motor bedeutet zudem weniger Trägheit und damit ein besseres Drehmoment. Schließlich kann Gewichtsersparnis bei einem Elektroauto auch eine Vergrößerung der Reichweite bedeuten.

Allerdings machen CNTs Probleme in der Herstellung. Sie können verklumpen oder Metallrückstände enthalten, die die Leitfähigkeit verschlechtern. Um das zu verhindern, setzt das Team bei der Herstellung ein Verfahren mit der Bezeichnung Lyotropic Liquid Crystal-Assisted Surface Texturing (LAST) ein, bei dem die Kohlenstoff-Nanoröhrchen ausgerichtet und getrennt werden. Ein Reinigungsverfahren entfernt die metallischen Katalysatorverunreinigungen.

Trotz der Vorteile werden sich die metalllosen Motoren wohl nicht so schnell durchsetzen. Die Kabel aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind noch sehr teuer. Ein Kilogramm kostet in der Herstellung zwischen 375 und 500 US-Dollar, ein Kilogramm Kupferkabel 10 bis 11 US-Dollar.

Die Forscher sind überzeugt, dass in naher Zukunft Elektroautos und Elektrotaxis "vollständig mit CSCEC gebaut" werden. "Die geringe Dichte von CSCECs unterstreicht ihr Potenzial, das Drahtgewicht zu reduzieren, was für die Verbesserung der Energieeffizienz in verschiedenen Anwendungen entscheidend ist, insbesondere in der flexiblen Elektronik, im Energietransport, in Elektrofahrzeugen und in Materialien für die Luft- und Raumfahrt", schreibt das Team.

(wpl)