Weniger Energieverlust Wie Elektromotoren mit metallischem Glas effizienter werden

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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.

Elektromotoren sind überall verbaut. Sie wandeln Strom in Bewegung um – und verlieren dabei 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.

„Wir arbeiten daran, diese Effizienzverluste zu verringern, indem wir das Material in den Elektromotoren verbessern. Heute bestehen die Stator- und Rotor-Komponenten aus herkömmlichen weichmagnetischen, grobkristallinen Eisenlegierungen. Diese sind zwar bereits optimiert, haben aber dennoch relativ hohe 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 das Material komplett 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 sein, allein durch das Material den Energieverbrauch in vielen Elektromotoren 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“, so der Professor.

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.

Magnetische Eigenschaften eignen sich gut für Elektromotoren

Metallisches Glas ist weit fester als Stahl. Die Bezeichnung „Glas“ beruht nur auf den inneren Werten des 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 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. Durch das fehlende Kristallgitter steht dem Ummagnetisieren im Elektromotor wenig entgegen. „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: entweder im Spritzgussverfahren oder mittels Metall-3D-Druck – woran für die Motorkomponenten gerade gearbeitet wird. Das neue Material wird hierfür in Pulverform mit dem Laser so aufgeschmolzen und abgekühlt, dass 50 Mikrometer feine Lagen Schicht für Schicht zu Motorbauteilen werden – durch und durch amorph.

Suche nach der passenden Legierung

Legierungen mit den richtigen Eigenschaften zu entwickeln, war 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 vor etwas mehr als einem Jahr. 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“ (L-PBF) zu justieren und neue Verarbeitungsmethoden zu entwickeln. Hierbei arbeiten Busch und Nienhaus in einem europaweiten Projekt mit Forscherinnen und Forschern aus Spanien, Italien, Polen und Deutschland zusammen.

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