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.
Bild: Universität des Saarlandes
Elektromotoren sind aus dem Alltag kaum wegzudenken – sie stecken in E-Bikes, Drohnen, Haushaltsgeräten oder elektrischen Zahnbürsten. Doch ein Teil der eingesetzten Energie geht bislang verloren. Besonders bei kleinen und schnell laufenden Motoren sinkt die Effizienz deutlich. Fachleute sprechen in diesem Zusammenhang von sogenannten Eisenverlusten. Sie entstehen vor allem durch das ständig wechselnde Magnetfeld im Inneren des Motors. Während sich der Rotor im feststehenden Stator dreht, baut sich das Magnetfeld kontinuierlich auf, bricht wieder zusammen und kehrt seine Richtung um. Dabei müssen sich winzige magnetische Bereiche im Metall immer wieder neu ausrichten. Dieser Prozess verursacht Reibung in der kristallinen Struktur des Materials und wandelt einen Teil der Energie in Wärme um. Je häufiger das Magnetfeld seine Richtung ändert, desto größer werden die Verluste.
Forschende der Universität des Saarlandes arbeiten deshalb an neuen Materialien, die diese Verluste reduzieren sollen. Statt der bisher verwendeten weichmagnetischen, grobkristallinen Eisenlegierungen setzen sie auf amorphe Legierungen – sogenannte metallische Gläser. Diese Materialien besitzen keine regelmäßige Kristallstruktur, sondern eine ungeordnete atomare Anordnung. Dadurch können sich die magnetischen Bereiche beim Umpolen leichter bewegen. Der Effekt: Das Ummagnetisieren benötigt deutlich weniger Energie, und die Hystereseverluste sinken.
Die neu entwickelten Legierungen bestehen zu etwa 70 bis 80 Prozent aus Eisen. Trotz ihres Namens sind metallische Gläser nicht spröde, sondern oft sogar fester als Stahl. Ihre Struktur entsteht, wenn eine Metallschmelze so schnell abgekühlt wird, dass sich kein Kristallgitter mehr bilden kann. Die Atome „frieren“ gewissermaßen in einer ungeordneten Struktur ein. Nach Angaben der Forschenden erleichtert diese Struktur die Bewegung der sogenannten Weissschen Bezirke – der magnetischen Bereiche im Material – und macht das Material besonders geeignet für Elektromotoren.
Die Entwicklung geeigneter Legierungen erwies sich als komplex. Die Forschenden untersuchten hunderte Materialkombinationen und testeten deren Widerstand gegen Kristallisation. Schließlich identifizierte das Team drei Legierungen, die stabil amorph bleiben und gleichzeitig die nötigen magnetischen Eigenschaften besitzen.
Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Herstellung der Bauteile. Die Materialien werden als Pulver im Metall-3D-Druck verarbeitet, genauer im Verfahren „Laser Powder Bed Fusion“. Dabei schmilzt ein Laser das Pulver schichtweise auf und lässt so Bauteile mit etwa 50 Mikrometer dünnen Schichten entstehen. Ziel ist es nun, das Verfahren so weiterzuentwickeln, dass sich Motorkomponenten aus metallischem Glas auch im industriellen Maßstab herstellen lassen. In einem europäischen Forschungsprojekt arbeiten dazu Partner aus Deutschland, Spanien, Italien und Polen zusammen. Langfristig könnten Elektromotoren so effizienter werden und beispielsweise die Reichweite von elektrischen Fahrzeugen oder Drohnen erhöhen.
Quelle: https://www.uni-saarland.de/aktuell/elektromotor-mit-metallischem-glas-44404.html