Die Lappeenranta University of Technology (LUT) stellt den ersten Elektromotor mit Fasern aus Kohlenstoff-Nanoröhren vor. Das Material ersetzt Kupferdrähte in Wicklungen. Der Motor ist ein Schritt in Richtung leichtgewichtiger, effizienter elektrischer Antriebe. Die Abgabeleistung beträgt 40 W und die Drehzahl 15.000 U/min.
„Eine Industrieanlage kann Tausende von Motoren enthalten, die alle Kupferwicklungen haben. Daher würde ein effizienteres Material die Industrie revolutionieren.“
Um die Leistung und die Energieeffizienz elektrischer Maschinen zu erhöhen, werden Drähte mit höherer Leitfähigkeit für Wicklungen gesucht. Hier könnte die neue Technologie die Industrie revolutionieren. Die besten Kohlenstoff-Nanoröhren (Carbon Nanotubes, CNTs) zeigen Leitfähigkeiten, welche die der besten Metalle weit übertreffen; CNT-Wicklungen können eine zweifach höhere Leitfähigkeit als Kupferwicklungen haben.
„Wenn wir die Designparameter unverändert lassen und Kupfer einfach durch Fasern aus Kohlenstoff-Nanoröhren ersetzen, können die Jouleschen Verluste in Wicklungen auf die Hälfte der derzeitigen Maschinenverluste reduziert werden. Wir können mithilfe von leichteren und ökologischeren CNT-Fasern die Maschinenmaße und die CO2-Emissionen in Herstellung und Betrieb senken. Maschinen könnten darüber hinaus bei höheren Temperaturen betrieben werden“, sagte Professor Pyrhönen, der für das Prototyp-Design an der LUT verantwortlich ist.
Keine Obergrenze für die Leitfähigkeit
Die Wicklungen elektrischer Maschinen sind traditionell aus Kupfer hergestellt, das die zweitbeste Leitfähigkeit aller Metalle bei Raumtemperatur aufweist. Trotz der hohen Leitfähigkeit finden die meisten Maschinenverluste in Kupferwicklungen statt. Fasern aus Kohlenstoff-Nanoröhren haben dagegen keine feste Obergrenze für die Leitfähigkeit (an einzelnen CNTs wurden Werte von 100 MS/m gemessen).
Laut Pyrhönen sind elektrische Maschinen so allgegenwärtig, dass wir ihre Gegenwart häufig gar nicht mehr wahrnehmen. In den meisten Haushalten sind zahlreiche elektrische Maschinen vorhanden. „Eine Industrieanlage kann Tausende von Motoren enthalten, die alle Kupferwicklungen haben. Daher würde ein effizienteres Material die Industrie revolutionieren.“
Wird Kupfer durch Kohlenstoff ersetzt?
Für den Prototyp werden Fasern aus Kohlenstoff-Nanoröhren verwendet, die von dem japanisch-dänischen Unternehmen Teijin Aramid in Isolierband umgewandelt werden. Es hat die Spinntechnologie gemeinsam mit der Rice University aus den USA entwickelt. Industrielle Anwendungen stehen noch am Anfang ihrer Entwicklung. Eine Erhöhung der Produktionskapazität und der Faserleistung wird wesentliche Fortschritte bei der Entwicklung innovativer Produkte erlauben, so die Überzeugung von Business Development Manager Dr. Marcin Otto von Teijin Aramid.
„Elektrische Maschinen haben ein erhebliches Verbesserungspotential; gleichwohl erreichen herkömmliche Materialien hinsichtlich der Materialphysik ihre Grenzen. Hier können Kohlenstoffmaterialien die Lösung sein: Die Leitfähigkeit von Fasern aus Kohlenstoff-Nanoröhren kann drei Mal so hoch wie die von Kupfer sein. Darüber hinaus ist Kohlenstoff reichlich vorhanden, während Kupfer abgebaut oder in industriellen Verfahren recycelt werden muss.“