Kupfer adé? Elektromotor ohne Metallspulen entwickelt
Forschende aus Südkorea entwickeln Elektromotor ohne Metall: Spulen aus Kohlenstoffnanoröhrchen ersetzen Kupfer. Das macht Motoren leichter und energieeffizienter.
Gehören Kupferspulen im Elektromotor bald der Vergangenheit an? Forschende haben das Kupfer durch Kohlenstoffnanoröhren ersetzt.
Foto: PantherMedia / manfredxy (YAYMicro)
Ein Forschungsteam des Korea Institute of Science and Technology (KIST) hat erstmals einen Elektromotor entwickelt, dessen Spulen vollständig aus Kohlenstoffnanoröhren bestehen. Der Prototyp zeigt, dass sich elektrische Energie auch ohne Metall in Rotationsbewegung umwandeln lässt – bei vergleichbarer Effizienz und deutlich geringerem Gewicht. Der Ansatz könnte die Grundlage für neue Antriebstechnologien in Fahrzeugen, Drohnen und Raumfahrtanwendungen schaffen.
Inhaltsverzeichnis
- Warum es auf jedes Gramm ankommt
- Was sind CNTs und warum sind sie für Spulen interessant?
- So gelang die Herstellung
- Wie schlägt sich der CNT-Motor im Vergleich zu Kupfer?
- Wo liegen die Schwächen – und das Potenzial?
- Anwendungsperspektiven: Mobilität, Raumfahrt, Robotik
- Noch kein Ersatz – aber eine ernstzunehmende Alternative
Warum es auf jedes Gramm ankommt
In der Elektromobilität zählt nicht nur Effizienz – auch die Masse ist entscheidend. Denn jedes eingesparte Gramm bedeutet weniger Energiebedarf, kleinere Batterien und größere Reichweite. Während Leichtbau in Karosserie und Fahrwerk längst etabliert ist, sind die elektrischen Antriebskomponenten noch stark auf schwere Metalle wie Kupfer angewiesen. Spulen im Motorblock machen dabei einen erheblichen Teil des Gewichts aus. Kupfer überzeugt durch seine hohe elektrische Leitfähigkeit, ist jedoch teuer, schwer und in der Herstellung energieintensiv.
Hier setzt das Projekt des KIST an: Das Team um Dr. Dae-Yoon Kim entwickelte eine vollständig metallfreie Spule auf Basis von Kohlenstoffnanoröhren (Carbon Nanotubes, kurz CNTs) – und demonstrierte, dass sich damit ein funktionierender Elektromotor bauen lässt.
Was sind CNTs und warum sind sie für Spulen interessant?
CNTs sind röhrenförmige Nanostrukturen mit einem Durchmesser von wenigen Nanometern und einer Länge von mehreren Mikrometern. Sie bestehen aus Kohlenstoffatomen in sechseckiger Anordnung – ähnlich wie bei Graphen. Diese Strukturen kombinieren mehrere Eigenschaften:
- hohe elektrische Leitfähigkeit (vergleichbar mit Metallen)
- extreme Zugfestigkeit bei geringem Gewicht
- hohe Wärmeleitfähigkeit
- chemische Stabilität
All diese Merkmale machen CNTs zu einem spannenden Kandidaten für elektrische Spulen – theoretisch. Praktisch war die Umsetzung bisher schwierig: CNTs neigen dazu, sich zu verklumpen (Aggregation), und enthalten oft Rückstände von Katalysatormetallen wie Eisen, die ihre Leitfähigkeit einschränken.
So gelang die Herstellung
Um CNTs für Spulen nutzbar zu machen, mussten die Forschenden gleich mehrere technische Hürden überwinden. Der erste Schritt: die Entwicklung einer neuen Reinigungs- und Strukturierungsmethode, bekannt als LLC-assisted Surface Texturing (LAST). Dabei werden die CNTs in einer Chlorsulfonsäurelösung protoniert, was die Rückstände von Eisenkatalysatoren löst. Die Besonderheit des Verfahrens liegt darin, dass es die feine 1D-Nanostruktur der Röhren vollständig erhält. So bleibt die Ausrichtung der Röhren entlang der Drahtachse erhalten – entscheidend für die spätere Stromleitung.
Das Ergebnis ist ein neuartiges Kabeldesign namens Core-Sheath Composite Electric Cable (CSCEC): Im Inneren leiten die gereinigten CNTs den Strom, außen schützt eine flexible Polymerhülle. Dieses leitfähige CNT-Kabel dient als Wickelmaterial für die Motorkomponenten.
KIST hat eine Technologie zur Herstellung hochwertiger CNTs entwickelt, bei der der Flüssigkristallzustand genutzt wird, der oft als „vierte Aggregatzustand“ bezeichnet wird und sich von festen, flüssigen und gasförmigen Zuständen unterscheidet. Diese Technologie verbessert die elektrische Leitfähigkeit von CNT-Spulen erheblich, sodass sie Elektromotoren ohne Kupferspulen antreiben können.
Foto: Korea Institute of Science and Technology (KIST)
Wie schlägt sich der CNT-Motor im Vergleich zu Kupfer?
Um die Praxistauglichkeit zu prüfen, baute das KIST-Team einen Kleinmotor mit CSCEC-Spulen. Der Rotor wurde wie bei konventionellen Motoren aufgebaut – allerdings komplett ohne Metallwicklungen. Im Testbetrieb mit 3 Volt Spannung erreichte der CNT-Motor eine Drehzahl von 3420 U/min. In einem Modellauto verbaut, fuhr dieses mit einer Geschwindigkeit von 0,52 m/s auf festem Untergrund.
Im Vergleich dazu:
- Kupfermotor: 18.120 U/min, 1,35 m/s
- Gewicht Kupferspule: 379 mg
- Gewicht CNT-Spule: 78 mg
Obwohl der Kupfermotor in absoluten Zahlen leistungsstärker ist, zeigt die spezifische Drehzahl (Umdrehungen pro Milligramm): CNT liegt bei rund 94 % des Kupferwerts. Im Verhältnis zum Gewicht liefern die CNTs also fast dieselbe Effizienz – ein relevanter Punkt für Leichtbauanwendungen.
Wo liegen die Schwächen – und das Potenzial?
Die reine Leitfähigkeit der CNTs erreicht noch nicht das Niveau von Kupfer. Sie ist aktuell rund 7,4-mal geringer. Doch durch bessere Ausrichtung, gereinigte Oberflächen und verbesserte Kontaktstellen konnte das Team die elektrische Leistung deutlich steigern – um 133 % im Vergleich zu unbehandelten CNT-Proben.
Zudem sind CNTs extrem leicht, flexibel formbar und potenziell günstiger, wenn sie in großen Mengen hergestellt werden. Ihre Anfälligkeit für Defekte oder unkontrollierte Clusterbildung bleibt allerdings eine Herausforderung für die Serienproduktion.
Anwendungsperspektiven: Mobilität, Raumfahrt, Robotik
Das Forschungsteam sieht vor allem dort Chancen, wo Gewicht entscheidend ist. Dazu zählen:
- elektrische Drohnen
- urbane Flugtaxis
- Raumfahrzeuge
- flexible Roboterantriebe
- isolierte Stromleiter in sensibler Elektronik
„Auf der Grundlage der Innovation der CNT-Materialien werden wir eine führende Rolle bei der Lokalisierung von Materialien wie leitfähigen Materialien für Batterien, Pellikel für Halbleiter und Kabel für Roboter übernehmen“, sagt Dr. Kim.
Noch kein Ersatz – aber eine ernstzunehmende Alternative
Kupfer wird nicht über Nacht verschwinden. Doch die Ergebnisse zeigen, dass metallfreie Spulen keine Utopie mehr sind. Wenn künftig Materialmangel, Preisschwankungen oder Nachhaltigkeitsthemen stärker in den Fokus rücken, könnten CNTs eine wichtige Rolle in der Elektromobilität und Antriebstechnik übernehmen. Entscheidend wird sein, ob die Herstellungsverfahren skaliert und die elektrischen Eigenschaften weiter verbessert werden können.
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