Batterien mit Shape-Shifter-Funktion

Flügel und Rotoren, die aus Stoffen bestehen, deren Form sich mittels elektrischer Impulse verändern ließe sind schon lange der Traum von Ingenieuren im Flugzeug- und Hubschrauber-Bau. Eine solche Technik könnte Reichweite und Treibstoffeffizienz dieser Luftfahrzeuge deutlich steigern, allerdings fehlte es bislang an passenden Materialien.

Forscher am MIT haben nun einen viel versprechenden Ansatz entwickelt, der auf dem (eigentlich negativen) Phänomen basiert, der normalerweise dazu führt, dass Batterien beispielsweise in einem Laptop auf längere Sicht ihren Geist aufgeben: Das Elektrodenmaterial in den Energiespeichern verzieht sich. "Wir nehmen Zitronen und machen daraus Limonade", sagt Yet-Ming Chiang, Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen am MIT, der an dem Projekt arbeitet. Mehrere Artikel, die die Arbeit näher beschreiben, sollen in den nächsten Ausgaben der Fachzeitschriften "Advanced Functional Material" sowie "Electrochemical and Solid State Letters" erscheinen.

Bisherige Arbeiten auf dem Gebiet von "Shape-Shifter"-Materialien basierten meist auf piezoelektrischen Effekten, bei denen sich Materialien aufgrund elektrischer Impulse verformen. Chiang sagt jedoch, er habe sich bereits seit langem dafür entschieden, dass sich die Piezo-Technik sich nicht für "Heavy Duty"-Anwendungen im Luftfahrzeugbau eigne.

Das von dem Wissenschaftler nun ausgenutzte Phänomen kennt man auf dem Gebiet der Batterieforschung schon lange: Wird eine Batterie geladen, bewegen sich die Ionen von einer Elektrode zu anderen, was dazu führt, dass sich das Elektrodenmaterial ausdehnt. Entlädt sich die Batterie jedoch wieder, zieht es sich erneut zusammen. Diese Tatsache führt dazu, dass sich die innere Struktur einer Batterie langsam auflöst – sie bricht auseinander. Forscher suchen daher eigentlich nach Materialien, die diesen Effekt nicht kennen. Als Chiang durchrechnete, wie viel mechanische Energie der Ausdehnungsprozess freisetzt, packte ihn jedoch kurz die Euphorie: Wie spätere Experimente bewiesen, zeigen Batterien im Vergleich zu Piezo-Technik das Zehnfache an Energie,

Die Leistungsfähigkeit der Batterie hat jedoch auch einen Nachteil: Die Geschwindigkeit. Piezo-Technik kann sich mit mehreren Tausend Zyklen pro Sekunde bewegen, wie Chiang sagt. Die Ausdehnung einer Batterie wird jedoch von der Zeit bestimmt, die das Aufladen braucht. Je nach notwendiger Energie kann dies etwas über eine Minute bis hin zu einer Stunde dauern, wie Steven Hall, Professor für Flugzeug- und Raumfahrzeugbau sagt, der zusammen mit Chiang an dem Projekt arbeitet. Die Forscher wollen dies nun verbessern, in dem sie die Zeit reduzieren, die es dauert, eine Batterie zu laden. Chiang arbeitet außerdem an einem Design physisch stärkerer Batterien, die die mechanische Energie der Elektroden besser nutzen können.

Existierende kommerziell erhältliche Batterien sind allerdings bereits für Demonstrationsmodelle geeignet, die man bereits Anfang nächsten Jahres fertigstellen will. Das Endziel ist der Einbau einer ganzen Sammlung von Batterien in ein Rotorblatt, dass das selektiv "gemorpht" werden kann.

Solche Shape-Shifter-Funktionen könnten es den Ingenieuren ermöglichen, ein Problem zu vermeiden, dass den Hubschrauberbau schon lange plagt: Die Fluggeräte sind für zwei diametral verschiedene Dinge ausgelegt, den Schwebe- und den Bewegungszustand. Das führt dazu, dass sie beides nicht besonders gut können. Wenn man die Form der Rotoren im Flug nun verändern könnte, ließen sich beide Funktionen optimieren, Chiang und Hall haben errechnet, dass sich so ein Prozent Sprit sparen ließe, was auf Dauer zu großen Einsparungen führen könnte. Alternativ könnten solche Helikopter zwei zusätzliche Personen befördern oder besser in großen Höhen (etwa über Bergen) operieren.

Die Rotoren sind allerdings erst der Anfang. Chiang und Hall denken bereits an die Nutzung im Flugzeugbau. Dort könnte die Veränderung der Flügelform im Flug ähnliche Verbesserung bei Leistung und Effizienz bringen. Andere Einsatzmöglichkeiten des Batterie-basierten Formwandlers: Solarzellen, die sich aktiv nach der Sonne wenden oder Satelliten-Komponenten, die sich im Weltraum aufrichten.

Von Kevin Bullis; Übersetzung: Ben Schwan. (wst)