Leichtbau ist ein gemeinsames Ziel für Elektrofahrzeuge, Drohnen und Raumfahrzeuge. Leichtere Maschinen verbrauchen weniger Energie, wodurch ihre Batterien effizienter arbeiten und sie längere Strecken fliegen können. Leichtbau geht auch mit Nachhaltigkeit einher, da eine bessere Gesamtleistung zu geringeren CO2-Emissionen führt. Im Mittelpunkt dieser Bemühungen stehen Elektromotoren. Motorspulen machen einen großen Teil des Motorgewichts aus und die meisten Spulen bestehen aus Kupfer. Kupfer leitet Strom gut, bringt aber auch einige Herausforderungen mit sich, wie z. B. Probleme bei der Ressourcenversorgung, Preisschwankungen und ein erhöhtes Gewicht aufgrund der hohen Dichte.
Ein Team unter der Leitung von Dr. Dae-Yoon Kim am Institut für Verbundwerkstoffe des Korea Institute of Science and Technology (KIST) hat einen Elektromotor entwickelt, dessen Spulen ausschließlich aus Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) und ohne Metall bestehen. In Tests konnte das Team die Umdrehungen pro Minute (RPM) des Motors anhand von Änderungen der Eingangsspannung steuern. Dies zeigt, dass Elektromotoren ihre Grundfunktion, elektrische Energie in Rotationskraft umzuwandeln, ohne den Einsatz metallischer Leiter erfüllen können.
Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) sind eindimensionale röhrenförmige Nanomaterialien mit Kohlenstoffatomen, die in einer sechseckigen Wabenstruktur angeordnet sind. Sie sind viel leichter als gewöhnliche Metalle und verfügen über eine hohe elektrische Leitfähigkeit, starke mechanische Festigkeit und gute Wärmeleitfähigkeit. Dennoch stehen CNTs in der praktischen Anwendung immer noch vor vielen Herausforderungen. Ein großes Problem sind Katalysatormetallreste aus dem Herstellungsprozess. Diese Metallpartikel können sich direkt auf Motorkomponenten auswirken, indem sie an der CNT-Oberfläche haften und die elektrische Leistung verringern.
Das KIST-Team entwickelte einen neuen Reinigungsprozess für Kohlenstoffnanoröhren (CNT), der das Orientierungsverhalten von Flüssigkristallen, dem „vierten Aggregatzustand“ zwischen flüssigem und festem Zustand, nutzt. Wenn sich die Kohlenstoffnanoröhren ausrichten, löst der Prozess die Klumpen auf natürliche Weise auf und trägt dazu bei, Metallpartikel von der Oberfläche zu entfernen. Der Schlüssel liegt darin, dass es Verunreinigungen selektiv entfernen kann, ohne die Nanostruktur der Kohlenstoffnanoröhren zu beschädigen. Dies unterscheidet es von vielen Reinigungsmethoden in der Flüssig- und Gasphase. Die resultierenden Kohlenstoffnanoröhren sind leitfähiger genug, um in echten Elektromotoren zu funktionieren.
Anschließend stellten die Forscher Spulen aus gereinigten Kohlenstoffnanoröhren her und ließen Motoren laufen, die bei verschiedenen Spannungen eine stabile Drehzahlregelung zeigten. Wenn dieser Ansatz skaliert werden kann, könnten leichtere Spulen das Motorgewicht und die Gesamtmasse des Systems reduzieren. Es könnte auch die Abhängigkeit von Kupfer verringern und Preis- und Versorgungsrisiken senken. Zukünftige Forschung ist erforderlich, um die Leistung kupferbasierter Designs in Bezug auf Leistungsdichte, Effizienz, thermische Handhabung und Kosten unter tatsächlichen Betriebsbedingungen zu vergleichen.
Dr. Kim Dae-yun vom Korea Institute of Science and Technology sagte: „Durch die Entwicklung einer beispiellosen neuen CNT-Hochqualitätstechnologie können wir die elektrische Leistung von CNT-Spulen maximieren, um metallfreie Motoren anzutreiben. Basierend auf der Innovation von CNT-Materialien werden wir die ersten sein, die Materialien wie batterieleitende Materialien, Halbleiterfilme und Roboterkabel lokalisieren.“
Quelle: KIST