Flüssigkristalle: Japanische Forscher denken den Motor neu
Forscher aus Tokio haben einen Motor ohne Magnete und Metallrotor gebaut. Dabei nutzten sie Flüssigkristalle – und eine Kraft, die über 100 Jahre als nutzlos galt.
Der Prototyp-Motor des Institute of Science Tokyo. Links die Gesamtansicht des ferroelektrischen Motors, rechts der Blick von unten auf den Rotor. Er besteht komplett aus Kunstharz, ohne Metall und ohne Magnete.
Foto: Professor Suzushi Nishimura
Elektromotoren stecken in E-Autos, Ventilatoren, Waschmaschinen und Industrierobotern. Das Grundprinzip der Alltagstechnologie ist so einfach wie effektiv: Strom fließt durch Kupferspulen, erzeugt ein Magnetfeld, und dieses Magnetfeld versetzt einen Rotor in Drehung. Dafür braucht es in der Regel Permanentmagnete aus Seltenen Erden, Kupfer für die Spulen und einen Rotor aus Metall.
Was aber wäre, wenn man all das weglassen könnte? Forscher am Institute of Science Tokyo haben kürzlich einen Motorprototyp vorgestellt, der ohne Kernkomponenten wie Magnete, Kupferspulen und Metallrotor auskommt. Stattdessen treiben Flüssigkristalle den Motor an. Dabei wirkt eine elektrostatische Kraft, die Physiker seit über einem Jahrhundert kennen, aber nie ernsthaft für Antriebe in Betracht gezogen haben.
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Die vergessene Kraft
Wenn zwischen zwei Elektroden eine Spannung angelegt wird, entsteht ein elektrisches Feld. Dieses Feld erzeugt nicht nur eine anziehende Kraft zwischen den Platten, es gibt auch eine abstoßende Kraft, die seitwärts wirkt, quer zum elektrischen Feld. Diese sogenannte transversale Maxwell-Spannung wurde bereits im 19. Jahrhundert theoretisch beschrieben.
In herkömmlichen Materialien ist diese Seitwärtskraft jedoch so schwach, dass sie praktisch keine Rolle spielt. Generationen von Ingenieuren und Physikern haben sie deshalb ignoriert. Elektrostatische Motoren – also Motoren, die elektrische Felder statt Magnetfelder nutzen – sind keine neue Idee. Schon in den 1740er-Jahren experimentierten Forscher wie der schottische Physiker Andrew Gordon und später Benjamin Franklin mit dem Prinzip. Sie setzen aber auf die anziehende Kraft und brauchen dafür sehr hohe Spannungen.
Trotz vereinzelter Fortschritte in den letzten Jahren blieb das Problem bestehen. Das US-Startup C-Motive Technologies aus Wisconsin arbeitet etwa an elektrostatischen Motoren mit Aluminiumscheiben, die Unternehmen wie FedEx und Rockwell Automation bereits testen. Doch auch die Motoren von C-Motive nutzen die anziehende Kraft zwischen geladenen Platten und die dafür erforderlichen hohen Spannungen.
Flüssigkristalle ändern die Spielregeln
2017 kam es zu einem Durchbruch, als zwei unabhängige Forschergruppen eine neue Art von Material entdeckten: polare nematische Flüssigkristalle. Sie sind flüssig, reagieren aber auf elektrische Felder um ein Vielfaches stärker als gewöhnliche Dielektrika. Ihre relative Dielektrizitätskonstante liegt bei über 10.000, während herkömmliche Materialien Werte zwischen 1 und 10 erreichen.
Diese Flüssigkristalle hat das Team um Professor Suzushi Nishimura am Institute of Science Tokyo für sein Experiment genutzt. Dabei machten sie sich eine besondere Eigenschaft zunutze: Sie sind ferroelektrisch. Das heißt, dass sich ihre Moleküle durch ein elektrisches Feld dauerhaft in eine Richtung ausrichten lassen, ähnlich wie sich die Elementarmagnete in einem Eisenstück durch ein Magnetfeld ordnen. Der Name „ferroelektrisch“ kommt von dieser Analogie; mit Eisen hat das Material selbst nichts zu tun.
Die Forscher platzierten die Flüssigkeit zwischen zwei Elektroden, die nur wenige Millimeter voneinander entfernt waren, und legten eine Gleichspannung an.
10 cm gegen die Schwerkraft
Das Ergebnis: Die Flüssigkeit wurde seitwärts gedrückt und stieg zwischen den Elektroden auf. Bei einem Elektrodenabstand von 2,5 mm und nur 80 V Spannung kletterte sie bis zu zehn Zentimeter hoch, gegen die Schwerkraft. Die dabei gemessene Kraft war rund 1000-mal stärker als bei herkömmlichen dielektrischen Materialien.
Zum Vergleich: Weder Silikonöl noch gewöhnliche Flüssigkristalle zeigten laut den Forschern unter denselben Bedingungen irgendeine Bewegung. Der Effekt trat ausschließlich mit der ferroelektrischen Flüssigkeit auf. „Diese Kraft wurde vor über 100 Jahren theoretisch vorhergesagt, aber niemand hatte sie je mit bloßem Auge beobachtet. Die Ersten zu sein, die das sehen konnten, war ein wirklich aufregender Moment“, so Studienleiter Suzushi Nishimura.
Als bemerkenswert bezeichnet das Tokioter Team auch, wie die Kraft mit der Spannung skaliert. Bei gewöhnlichen Materialien steigt die Kraft im Quadrat zur Spannung; man muss also deutlich mehr Spannung anlegen, um spürbar mehr Kraft zu bekommen. Bei der ferroelektrischen Flüssigkeit stieg die Kraft hingegen linear an: Eine kleine Spannungserhöhung führte direkt zu einer proportionalen Kraftzunahme.
Vom Experiment zum Plastikmotor
Aus der Beobachtung, dass die Seitwärtskraft Flüssigkeit bewegen kann, entstand die Idee: Wenn sie schieben kann, kann sie auch drehen. Das Team konstruierte einen Prototyp-Motor mit einem Stator aus drei Elektrodenpaaren und einem Rotor, der komplett aus Kunstharz besteht. Kein Metall, keine Magnete.
„Unsere Experimente deuteten darauf hin, dass ein Motorrotor nicht mehr aus Metall bestehen muss. Das klang zunächst schwer zu glauben. Aber als wir den Daten vertrauten und einen Rotor komplett aus Kunststoff bauten, drehte er sich tatsächlich“, bestätigt Suzushi Nishimura.
Wie der Motor funktioniert
Wenn der Rotor breiter ist als eine einzelne Elektrode, wirkt die Seitwärtskraft nur auf einer Seite. Der Rotor wird in eine Richtung geschoben. Durch eine gezielte Ansteuerung der drei Elektrodenpaare mit versetzten Spannungspulsen entsteht dabei eine kontinuierliche Drehbewegung. Das Prinzip ähnelt einem Drehstrommotor, nur ohne Magnetfeld.
Die benötigte Feldstärke lag bei nur 0,03 MV/m. Und hier liegt möglicherweise der eigentliche Durchbruch: Diese Spannung ist rund tausendmal niedriger als bei bisherigen elektrostatischen Motoren, die typischerweise mehrere Dutzend bis hundert MV/m benötigen.
Ein neuer Motortyp für die Zukunft?
Die Studie aus Japan lässt aufhorchen. Zunächst könnte der neue Motortyp sehr günstig sein, da er keine Seltene Erden wie Neodym oder Dysprosium benötigt. Auch, dass er ohne das immer begehrtere Kupfer auskommt, ist ein Vorteil; genau wie der leichtere Aufbau durch den Kunststoffrotor. Und da kein Magnetfeld entsteht, könnte der Motor für Umgebungen interessant werden, in denen es keine magnetischen Störungen geben sollte. Das ist zum Beispiel in medizinischen Geräten oder Datenspeichern der Fall.
Aber: Der Prototyp ist winzig. Zudem muss die ferroelektrische Flüssigkeit auf 46 bis 48 °C gehalten werden, was den Energieaufwand vergrößert. Und über das Drehmoment oder die konkrete Leistung des Motors macht das Paper erst gar keine Angaben. Bis zu einem praxistauglichen Antrieb dürfte es daher noch Jahre, wenn nicht Jahrzehnte dauern.
Die Forschung zeigt aber, dass die lange übersehene Maxwell-Kraft ein Potenzial besitzt, das Ingenieure ihr lange nicht zugetraut haben. Das ist für sich genommen schon bemerkenswert; ob nun ein markttauglicher Motor daraus wird oder nicht.
Die vollständige Studie ist in der Fachzeitschrift Communications Engineering erschienen.
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