Südkoreanische Forscher arbeiten an E-Motor ohne Kupfer
Die Vorteile von Kupfer sind bekannt, etwa die hohe elektrische Leitfähigkeit – nicht umsonst wird das Material quasi als Standard in allen Arten von Kabeln eingesetzt. Und eben auch in Elektromagneten, wie sie in Elektromotoren genutzt werden. Doch es gibt auch unbestreitbare Nachteile: Kupfer ist recht schwer, vergleichsweise teuer und der Abbau wird teilweise als ökologisch problematisch angesehen. Dazu erwärmt sich Kupfer beim Stromfluss, was zu Wärmeverlusten und einem hohen Kühlbedarf führt.
Genug Gründe für die Forscher des Korea Institute of Science and Technology (KIST), nach einem Ersatz für Kupfer zu suchen. Sie haben eine Spule für Elektromotoren entwickelt (noch keinen voll einsatzfähigen Elektromotor), die komplett ohne Metall auskommt – und damit auch ohne Kupfer. Als leitfähiges Material werden dabei Carbon Nanotubes (CNTs) genutzt, zu Deutsch Kohlenstoff-Nanoröhrchen.
Neues Reinigungsverfahren verbessert Leitfähigkeit
Der Ansatz ist nicht neu, da CNTs schon länger als vielversprechender Ansatz in diversen Anwendungen (bis hin zu Superkondensatoren) gelten: Sie haben ebenfalls eine gute elektrische Leitfähigkeit, sind deutlich leichter als Kupfer, sehr stabil und leiten Wärme gut ab. Bisher gab es in der Praxis aber oft das Problem, dass sich kleine Metallpartikel auf der Oberfläche absetzen können – Rückstände der im Herstellungsprozess verwendeten Katalysatormetalle. Und diese Verschmutzung beeinträchtigt die Leitfähigkeit und damit die Leistung der Nanoröhrchen.
Die Lösung der KIST-Forschenden: Ein neuartiger Reinigungsprozess mit Flüssigkristallen kann die Metallpartikel auf der Oberfläche entfernen, ohne die Nanoröhrchen zu beschädigen. Das neue CNT-Reinigungsverfahren nutzt das Ausrichtungsprinzip von Flüssigkristallen, genau genommen den „vierten Aggregatzustand“, der als Zwischenzustand zwischen flüssig und fest bekannt ist. „Das Verfahren löst starke Aggregationen während der Ausrichtung der CNTs auf natürliche Weise auf und entfernt effektiv Metallpartikel, die auf der Oberfläche verbleiben. Besonders wichtig ist, dass es Verunreinigungen selektiv entfernen kann, ohne die Nanostruktur der CNTs zu beschädigen“, schreibt das KIST in der Mitteilung. Das unterscheide das neue Verfahren von bestehenden flüssig- und gasphasenbasierten Reinigungsverfahren.
Das Ergebnis: Damit konnte die elektrische Leitfähigkeit in der Test-Spule erhöht werden. Sie soll auf ein Niveau gebracht werden können, „das für echte Elektromotoren anwendbar ist“, wie es heißt. Auch wenn noch kein voll funktionsfähiger Elektromotor von Grund auf mit CNT-Spulen entwickelt und getestet wurde, haben die südkoreanischen Forscher zumindest die Funktionshähigkeit ihrer Entwicklung nachgewiesen: Das Team führte Experimente durch, indem es die CNT-Spule auf einen Motor aufsetzte und feststellte, dass die Umdrehungen pro Minute (U/min) des Motors je nach Eingangsspannung stabil gesteuert werden konnten. Allerdings war es nur ein sehr kleiner Motor, weit Weg von den Leistungsanforderungen von E-Autos.
„Durch die Entwicklung eines neuen Konzepts hochwertiger CNT-Technologie, das es bisher noch nicht gab, konnten wir die elektrische Leistung von CNT-Spulen maximieren, um Elektromotoren ohne Metall anzutreiben“, sagt Dae-Yoon Kim vom KIST. „Basierend auf der Innovation von CNT-Materialien werden wir eine führende Rolle bei der Lokalisierung von Materialien wie leitfähigen Materialien für Batterien, Pellikeln für Halbleiter und Kabeln für Roboter übernehmen.“
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