Spulenloser E-Motor kommt ohne Kupfer und Aluminium aus

Wie viel Gewicht ein Auto und seine Bestandteile haben, wirkt sich auf die Effizienz des Fahrzeugs aus. Deshalb ist man in der Forschung auf der Suche nach Möglichkeiten, um E-Motoren weiter zu verbessern, indem sie leichter werden. 

Am Korea Institute of Science and Technology (KIST) ist ein Schritt in diese Richtung gelungen, wie newatlas berichtet. Dort haben Forscher einen Motor gebaut, der durch die eigens entwickelten hoch leitfähigen Kohlenstoffnanoröhrchen (Conductive carbon nanotube - CNT) nicht nur leicht ist, sondern auch ohne Aluminium und Kupferspulen auskommt. 

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Das LAST-Verfahren

Dafür haben sie ein Verfahren namens Lyotropic Liquid Crystal-Assisted Surface Texturing (LAST) genutzt und damit ein elektrisches Verbundkabel mit Kern-Mantel-Aufbau (core-sheath-composite electric cables - CSEC) hergestellt. Im inneren elektrisch leitenden Teil befinden sich die Kohlenstoffnanoröhrchen, die von einer äußeren Isolierschicht umgeben sind. 

Jeder Draht des Kabels ist nur 0,3 Millimeter dünn und dennoch sind die Drähte in der Lage, einen sich drehenden Motor anzutreiben. "Durch die Entwicklung eines neuen Konzepts für eine hochwertige CNT-Technologie, die es bisher noch nicht gab, konnten wir die elektrische Leistung von CNT-Spulen maximieren, um Elektromotoren ohne Metall anzutreiben", sagt Dae-Yoon Kim vom KIST. 

Elektrische Leitfähigkeit um 130 Prozent gesteigert

Ein wichtiger letzter Schritt im Rahmen des LAST-Verfahrens bestand in der Verwendung von lyotropen Flüssigkeitskristallen. Diese verhalten sich wie eine Flüssigkeit und sind dennoch innerlich geordnet wie ein Kristall. Das führt dazu, dass die Kohlenstoff-Nanoröhrchen nicht verklumpen, wodurch die Leistungsmaximierung erreicht wurde. 

Zusätzlich haben die Forscher auch eine chemische Spülung durchgeführt, um Verunreinigungen zu entfernen, die bei der Herstellung entstehen. So entsteht eine eindimensionale Nanostruktur, die CNTs so besonders macht. Insgesamt hat das LAST-Verfahren somit zu einer Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit um 130 Prozent geführt. Außerdem konnte eine Tonne Gewicht eingespart werden, ohne die Leistung der Kabel zu beeinflussen. 

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Der Motor im Vergleich 

Das Gewicht in Motoren kommt vor allem durch den Einsatz von Kupfer zustande. Der vordere Motor eines Tesla Model S wiegt beispielsweise 31,8 Kilogramm und der hintere 36,6 Kilogramm. 25 Prozent des Gewichts ist auf den Einsatz von Kupfer zurückzuführen. 

Bei der Verwendung der CSCEC-Verkabelung würde das Gesamtgewicht der Motoren von 68 Kilogramm auf 52,2 Kilogramm gesenkt werden. Durch das reduzierte Gewicht kann die Leistung gesteigert werden. Das liegt daran, dass beispielsweise der Motor schneller hochdrehen kann und weniger Wärme entsteht. Dadurch kann man auch Kühlsysteme kleiner und leichter bauen. 

Leistung im Vergleich 

Die CNT-Drähte können dennoch nicht mit der elektrischen Leitfähigkeit von Kupfer mithalten. Kupfer erreicht eine elektrische Leitfähigkeit von 59 Megasiemens pro Meter, während die CNT-Drähte rund 7,7 Megasiemens pro Meter erreichen. Bei gleicher Größe und Spannung fließt also weniger Strom durch die CNT-Drähte, was zu weniger Leistung führt. 

In der Studie erreichte der CNT-Motor eine Höchstdrehzahl von 3.420 Umdrehungen pro Minute, während es bei einem gleichen Motor mit Kupfer 18.120 Umdrehungen pro Minute sind. Der CNT-Leiterkern war aber viel leichter und wog nur ein Fünftel des Kupferkerns. Trotz der geringeren insgesamten Leistung, war der Unterschied bei der Leistung pro Gewicht nur um 6 Prozent niedriger als bei einem Motor mit Kupfer. Der CNT-Motor leitet also zwar schlechter als reines Kupfer, kann diese Einbußen aber durch das geringe Gewicht wieder beinahe ausgleichen. 

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Kosten und Nachteile der CNT-Kabel 

Laut der Studie kann die Herstellung von CNT-Kabeln bis zu 500 US-Dollar pro Kilogramm kosten. Pro Kilogramm Kupfer zahlt man 10 bis 11 US-Dollar. Kupfer ist also noch deutlich günstiger. 

Ein weiterer Nachteil der CNT-Kabeln ist, dass sie in energieaufwändigen Verfahren mit fossilen Brennstoffen hergestellt werden. Außerdem entstehen dabei giftige Nebenprodukte. Beim LAST-Verfahren waren es beispielsweise Chlorsulfonsäure und Salzsäure. Die Forscher wollen weitere Optimierungen an den CNT-Kabeln vornehmen, um die Leitfähigkeit zu erhöhen.