Leistung statt Energieverlust Metallisches Glas macht Elektromotoren effizienter  

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Neuartige Materialien könnten Elektrogeräte energieeffizienter machen. Metallisches Glas in Elektromotoren reduziert den Energieverlust. Professor Ralf Busch und sein Team entwickeln neue Legierungen und erforschen 3D-Druck für Motorkomponenten.

Allein durch neuartige Materialien könnten Elektrogeräte in Zukunft weniger Energie verbrauchen, Drohnen länger fliegen und E-Bikes weiter fahren: Komponenten aus metallischem Glas sollen in Elektromotoren dafür sorgen, dass diese beim Betrieb weniger Energie verlieren. Professor Ralf Busch und seinem Team an der Universität des Saarlandes ist es gelungen, hierfür neue Legierungen zu entwickeln. Zusammen mit seinem Saarbrücker Kollegen Professor Matthias Nienhaus und internationalen Partnern erforschen sie die Grundlagen, wie Motorkomponenten im 3D-Druck hergestellt werden können. Die EU förderte die Forschung mit 3,5 Millionen Euro. 

Energieverluste in Elektromotoren: Ursachen und Auswirkungen

Ob in E-Bikes, Drohnen oder elektrischen Zahnbürsten: Elektromotoren stecken überall. Sie wandeln Strom in Bewegung um – und verlieren unnötig viel Energie. Je schneller der Motor läuft, umso mehr Energie verpufft. „Und je kleiner die Motoren sind, umso ineffizienter werden sie. Fachleute reden hier von Eisenverlusten“, erklärt Professor Ralf Busch von der Universität des Saarlandes. Ursache ist unter anderem, dass das Magnetfeld in den Antrieben in einem fort wechselt. In Elektromotoren dreht sich ein Rotor in einem feststehenden Bauteil, dem Stator. Dabei wird ein wechselndes Magnetfeld erzeugt: Ständig baut es sich auf, bricht wieder zusammen und wechselt die Richtung. Dieses unablässige Ummagnetisieren kostet Kraft. Jedes Mal, wenn das Magnetfeld die Richtung ändert, drehen sich die magnetisch polarisierten Bereiche des Materials wie winzige Stabmagnete in der kristallinen Mikrostruktur des Metalls. Hierbei entsteht Reibung. Viel Energie wird zu Wärme umgewandelt – und verheizt. 

Verbesserung der Effizienz: Innovative Materialien für Elektromotoren

„Wir arbeiten daran, diese Effizienzverluste zu verringern, indem wir das Material in den Elektromotoren verbessern. Heute bestehen die Stator- und Rotor-Komponenten aus herkömmlichen, sogenannten weichmagnetischen, grobkristallinen Eisenlegierungen. Diese sind zwar bereits optimiert, haben aber dennoch relativ hohe, sogenannte Hystereseverluste beim Ummagnetisieren. Wir wollen diese Materialien durch amorphe, also glasartige Legierungen ersetzen, die beim Ummagnetisieren kaum Energie verlieren“, erklärt der Materialforscher, der hieran seit vier Jahren mit einem internationalen Konsortium arbeitet. „Die Verluste nehmen stark ab, wenn die Kristallite extrem klein, also nanokristallin sind, oder wenn die Kristallstruktur sogar ganz fehlt, das Material also amorph ist“, erläutert Busch.

Metallische Gläser: Ohne Kristallstruktur kaum Energieverlust

Die neuartigen Legierungen, die er und seine Saarbrücker Arbeitsgruppe in dem von der EU geförderten Projekt entwickelt haben, lassen die Antriebe kalt, weil das Umpolen bei ihnen glatter läuft. „Auf Basis dieser Grundlagenforschung können wir Elektrogeräte in Zukunft effizienter machen“, ist sich Busch sicher. „Es wird möglich, allein durch das Material den Energieverbrauch in vielen Elektromotoren, die im Alltag zum Einsatz kommen, zu senken und schließlich auch bei E-Rollern oder Drohnen die Reichweite zu erhöhen. Zur größeren Effizienz kommt hinzu, dass wir bei den amorphen Metallen auf kritische Elemente wie Kobalt verzichten“, sagt der Professor für Metallische Werkstoffe.

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Bei den Legierungen handelt es sich um metallische Gläser mit einem Eisenanteil von 70 bis 80 Prozent, die durch 3D-Druck in die passende Form gebracht werden können. Busch zählt zu den Pionieren auf diesem Gebiet. Glasartige Metalle aus seiner Ideenschmiede lassen er und sein Team auch in der Schwerelosigkeit der internationalen Raumstation ISS testen. Schon seit Jahrzehnten arbeitet er mit der NASA und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt zusammen. Die Arbeitsgruppe hält mehrere Patente auf neuartige, ultrafeste Legierungen mit völlig neuen Eigenschaften – und hat nun ein weiteres angemeldet.

Metallisches Glas ist anders, als der Begriff vermuten lässt, nicht zerbrechlich, sondern weit fester als Stahl. Die Bezeichnung „Glas“ beruht nur auf den inneren Werten des außergewöhnlichen Metalls: Es gibt kein Kristallgitter. „Bei herkömmlichen Metallen sind die Atome in Kristallgittern angeordnet. Bei metallischen Gläsern sind sie ungeordnet“, erklärt Busch. Wählen die Forscher die Zusammensetzung der verschiedenen Atomsorten geschickt, erstarren die Atome an Ort und Stelle, wenn die heiße Metallschmelze abgekühlt wird: Bevor sie auch nur eine Chance haben, sich zu einem Kristallgitter zu ordnen, „frieren“ die Atome dort ein, wo sie gerade in der Schmelze stecken – wie bei einem Glas. Durch das fehlende Kristallgitter steht dem Ummagnetisieren im Elektromotor wenig entgegen. Ideal also, um die bekannten Eisenverluste zu verringern. „Ohne an metallischen Kristalliten aufgehalten zu werden, rauschen die magnetischen Bereiche, die sogenannten Weisschen Bezirke, einfach hindurch“, sagt der Materialforscher, „die magnetischen Eigenschaften der metallischen Gläser eignen sich also sehr gut für Elektromotoren.“

Die metallischen Gläser lassen sich verarbeiten wie Kunststoff und in beliebige Form bringen, im Spritzgussverfahren oder wie hier mittels Metall-3D-Druck – woran für die Motorkomponenten gerade gearbeitet wird: Das neue Material wird in Pulverform mit dem Laser so aufgeschmolzen und abgekühlt, dass 50 Mikrometer feine Lagen Schicht für Schicht zu Motorbauteilen werden – durch und durch amorph, als metallisches Glas, ohne störende Kristallite.

Suche nach der passenden Legierung im fünfdimensionalen Raum

Legierungen mit den richtigen Eigenschaften zu entwickeln, war äußerst knifflig. Sie müssen zu Glas erstarren und zudem die richtigen Voraussetzungen mitbringen, um im Elektromotor die herkömmlichen Materialien ersetzen zu können. Und sie müssen sich im 3D-Drucker drucken lassen. Buschs Team fand das richtige Rezept. „Wir haben Hunderte Legierungen ausgewählt und auf ihre Widerstandsfähigkeit gegen Kristallisation getestet. Diese Suche erfolgt in einem fünfdimensionalen Konzentrationsraum. Funktioniert eine Legierung nicht, heißt es, zurück ans Reißbrett und von Grund auf neu designen. Vor etwas mehr als einem Jahr kam der Durchbruch“, sagt Busch. Die Saarbrücker Forscherinnen und Forscher fanden drei Legierungen, die robust gegenüber Kristallisation waren und alle Bedingungen erfüllten, um Motorkomponenten vollständig glasartig zu drucken.

Damit ist die Grundlage für energieeffizientere und umweltverträgliche Elektromotoren mit Komponenten aus metallischem Glas gelegt. „Die Herausforderung ist nun, das Verfahren so weiterzuentwickeln, dass es in der Praxis und im Industriemaßstab funktioniert“, erklärt der Antriebstechnik-Spezialist Professor Matthias Nienhaus, ebenfalls von der Universität des Saarlandes. Es gilt, die richtigen Stellschrauben beim Druckprozess mit der additiven Fertigungstechnologie „Laser Powder Bed Fusion“ (LPBF) zu justieren und neue Verarbeitungsmethoden zu entwickeln. Hierbei arbeiten Ralf Busch und Matthias Nienhaus in einem europaweiten Projekt mit Forscherinnen und Forschern aus Spanien, Italien, Polen und Deutschland zusammen.

Claudia Ehrlich arbeitet im Team der Pressestelle der Uni des Saarlandes.