Antriebstechnik

Kabelloser Mikromotor auf Kunststoffbasis

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In der Mikrofaser sind Graphenoxidblättchen eingelagert. Sie versteifen die Faser und sorgen so für einen Energiespeicher (Bild: HZG/Oliver Gould)
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Ein neuer Mikromotor ist zugleich Energiespeicher: Als Motor dient eine Kunststoff-Mikrofaser, die sich „verdrillen“ lässt – doch dreht sie sich im Gegensatz zum Gummiband erst bei erneutem Erwärmen wieder auf und erzeugt Antrieb. Die Energiedichte ist größer als im Skelettmuskel.

Forscher des Helmholtz-Zentrums Geesthacht (HZG) und der Université de Bordeaux haben einen hocheffizienten Mikromotor auf der Basis einer verdrillten Kunststofffaser entwickelt. Darin wird die Energie für die Bewegung gespeichert. Der „Trick“ der Forscher, um eine hohe Energiedichte bei der Speicherung zu erreichen, besteht hauptsächlich darin, den Kunststoff mit winzigen Blättchen aus Graphenoxid zu versteifen. Jinkai Yuan, der an der Université de Bordeaux forscht, erklärt: „In den Experimenten zeigte sich, dass Graphenoxid den Kohlenstoff-Nanoröhrchen überlegen ist.“ Durch die günstige Orientierung der Nanoblättchen zur Deformationsrichtung der Faser und deren eigener Verformung wird mit Graphenoxid ein höheres Drehmoment erreicht.

Bestimmen, bei welcher Temperatur es losgeht

Prof. Andreas Lendlein, Leiter des HZG-Instituts für Biomaterialforschung in Teltow, erläutert: „Die Anzahl der Drehungen, die der Mikro-Fasermotor ausführen kann, und der Temperaturbereich, in dem diese Bewegung ausgelöst wird, können vorbestimmt werden“. Die so genannte Schalttemperatur, bis zu der die Drehspannung bewahrt wird, kann in weiten Grenzen über die Temperatur festlegt werden, bei der die Faser zuvor verdrillt wurde.

Bei dem untersuchten Fasermaterial, dem Polyvinylalkohol, hat sich eine Programmiertemperatur von 80 °C als besonders günstig erwiesen. Hier können 80 % der durch das Verdrillen der Faser programmierten Drehungen wieder abgerufen werden. Für künftige medizinische Anwendungen kann man aber auch mit einem Kunststoff arbeiten, der bei Körpertemperatur schaltet.

Motor füllt eine Marktlücke

„Dieses Ergebnis ist ein wichtiger Schritt hin zu vielen Anwendungen – wie Mikrorobotern oder gar autonomen Systeme, bei denen die Programmierung beispielsweise mit Windkraft erfolgen könnte“, so Andreas Lendlein. Mit ihrem einfach aufgebauten Motor füllen die beiden beteiligten Forschergruppen in Bordeaux und in Teltow bei Berlin in der Tat eine Marktlücke. Denn für viele Zwecke ist ein Elektromotor zu schwach, zu groß, zu wenig robust – und er benötigt Strom- und Steuerungskabel. Bei den bisherigen Versuchen mit Fasern waren wiederum Rotationsgeschwindigkeit, Drehmoment und Rotationswinkel zu klein. Vor allem aber ließ die gewichtsbezogene Energiedichte zu wünschen übrig. Beim Mikrofaser-Motor ist sie 60-mal höher als bei natürlichen Skelettmuskeln.

https://science.sciencemag.org/content/365/6449/155?ijkey=1533193ac0970566b755c14d0b2524f69f7f6316&keytype2=tf_ipsecsha

www.hzg.de

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