Elektrischen Geräten der Zukunft mehr Effizienz verleihen
Kleine Elektromotoren, die Bestandteil des Alltags von Förderbändern bis hin zu elektrischen Zahnbürsten sind, tragen dazu bei, unsere moderne Welt in Gang zu halten. Angesichts ihrer weiten Verbreitung kann bereits eine geringfügige Steigerung der Energieeffizienz bei ihrem Betrieb etwas bewirken. Infolgedessen konzentrierte sich ein Großteil der Forschung auf ein Phänomen, das als „Eisenverlust“ bekannt ist. Damit ist die elektrische Energie gemeint, die im Magnetkern dieser Vorrichtungen in Form von Wärme verloren geht. Da Elektromotoren funktionsgemäß auf wechselnde Magnetfelder angewiesen sind, geht ständig Energie verloren.
Amorphe, glasartige Legierungen
Das Team des vom Europäischen Innovationsrat(öffnet in neuem Fenster) finanzierten Projekts AM2SoftMag(öffnet in neuem Fenster) verfolgte das Ziel, hier durch die Verbesserung der in Elektromotoren verwendeten Werkstoffe Abhilfe zu schaffen. „In den Elektromotoren von heute bestehen die Stator- und Rotorbauteile aus konventionellen weichmagnetischen, grobkörnigen Eisenlegierungen“, erklärt Ralf Busch, Projektkoordinator von AM2SoftMag und Professor an der Universität des Saarlandes(öffnet in neuem Fenster). „Wir beabsichtigten, diese herkömmlichen kristallinen Legierungen durch amorphe, glasartige Legierungen ersetzen, die bei der Ummagnetisierung kaum Energie verlieren.“ Ungeachtet seines Namens ist metallisches Glas keineswegs spröde, sondern vielmehr deutlich fester als Stahl. Der Begriff „Glas“ bezieht sich auf die innere Struktur des Materials, die amorph ist, was bedeutet, dass es kein Kristallgitter aufweist. „In den üblichen Metallen sind die Atome in geordneten Kristallgittern organisiert“, fügt Busch hinzu. „In metallischen Gläsern liegen die Atome in ungeordneter, amorpher Anordnung vor.“
3D-gedruckte Elektromotoren
Um aus diesen Materialien Vorrichtungen herzustellen, setzte das Projektteam additive Fertigung, allgemein als 3D-Druck bekannt, ein. Aus pulverförmigen, amorphen, weichmagnetischen Legierungen wurden hocheffiziente, 3D-gedruckte Elektromotoren für kleine Bauteile hergestellt. Es wurden Hunderte potenzielle Legierungen ausgewählt und auf ihre Kristallisationsbeständigkeit geprüft. Die ideale Legierung musste nicht nur verglasen (d. h. ein Glas bilden); sie musste auch zum 3D-Drucken geeignet sein. Zu guter Letzt konnten drei geeignete Legierungen ermittelt werden. Der Fertigungsprozess begann mit dem Schmelzen des pulverförmigen Materials mit einem Laser und der anschließenden kontrollierten Abkühlung. Auf diese Weise konnten Schichten mit einer Dicke von 50 Mikrometern übereinander zu Motorteilen aufgebaut werden, die vollständig aus amorphem metallischem Glas ohne störende Kristallite bestehen. Dies geschieht, weil diese Atome durch das „Einfrieren“ an Ort und Stelle fixiert werden, bevor sich ein Kristallgitter bilden kann, wodurch ein metallisches Glas entsteht. Ohne Kristallgitter lässt sich der Ummagnetisierungsprozess leichter realisieren, wodurch der „Eisenverlust“ deutlich reduziert wird.
Senkung des Energieverbrauchs
Die Arbeit des Projekts AM2SoftMag stellt einen wichtigen Schritt dar, um elektrische Geräte der Zukunft effizienter gestalten zu können. Ein weiterer positiver Aspekt dieser Arbeit besteht darin, dass Hersteller durch den Einsatz amorpher Metalle nicht mehr mit kritischen Legierungselementen wie zum Beispiel Kobalt hantieren müssen. Die Gewinnung dieses Minerals konzentriert sich auf Regionen der Welt, in denen geopolitische Spannungen und unsichere Arbeitsbedingungen herrschen. Zu den nächsten Schritten zählt die Maßstabserweiterung des Prozesses, damit es im industriellen Maßstab zuverlässig funktioniert. Angesichts der Nachfrage nach Elektromotoren ist die Liste für den potenziellen Endverbrauch ziemlich lang. Wie Busch betont, gibt es wahrscheinlich Hunderte derartiger Motoren, beispielsweise zur Einstellung der Sitzposition in einem Wagen der Luxusklasse. „Allein durch einen Materialwechsel können wir den Energieverbrauch bei einer ganzen Palette von Elektromotoren des täglichen Gebrauchs senken und letztlich die Reichweite von Geräten wie Elektrorollern oder Drohnen verlängern“, berichtet er.
