Wissenschaftler des Institute of Science Tokyo haben bewiesen, dass metallische Komponenten wie Eisen, Aluminium oder Kupfer nicht mehr zwingend notwendig sind, um echte Motorkraft zu erzeugen. Ihr neuartiger Prototyp verzichtet auf alle traditionellen Kernkomponenten. Stattdessen nutzt er ferroelektrische Flüssigkristalle, die auf ein elektrisches Feld reagieren und einen Rotor allein durch elektrostatische Kräfte antreiben. Das berichtet das Techniknachrichten-Portal ingenieur.de.
Neue Materialien machen Durchbruch möglich
Elektrostatische Kräfte kennen wir etwa von statischer Aufladung, wie den kleinen Schlag beim Berühren einer Türklinke oder die abstehenden Haare auf einem Kunststoff-Trampolin. Diese Kräfte sind anziehende oder abstoßende Wechselwirkungen, die zwischen elektrischen Ladungen wirken. Sie entstehen durch elektrische Felder, wobei sich ungleiche Ladungen (plus/minus) anziehen und gleiche Ladungen (plus/plus oder minus/minus) abstoßen.
Diese sogenannte Maxwell-Spannung entsteht überall dort, wo elektrische oder magnetische Felder auf Materie treffen. In fast allen Fällen ist sie allerdings so winzig, dass man sie im Alltag gar nicht bemerkt. Mit der Entdeckung sogenannter polarer nematischer Flüssigkristalle im Jahr 2017 änderte sich dies grundlegend. Diese Flüssigkeiten reagieren nämlich extrem stark auf elektrische Felder.
Flüssigkristalle als Antriebsmaterial
Das Team um Professor Suzushi Nishimura platzierte nun solche ferroelektrischen Flüssigkristalle zwischen zwei Elektroden und legte eine Gleichspannung an. Das Ergebnis: Die Flüssigkeit wurde seitlich bewegt und stieg vertikal auf, teilweise bis zu zehn Zentimeter gegen die Schwerkraft. Dies gelang bei extrem niedrigen Spannungen von nur 80 Volt und einem Elektrodenabstand von 2,5 mm – ein Effekt, der mit herkömmlichen Flüssigkeiten oder Silikonöl nicht auftrat.
Schon kleine Spannungserhöhungen führten dabei zu proportional stärkerer Bewegung. Die Forscher konnten damit nicht nur die Stärke der Kraftübertragung variieren, sondern auch die Effizienz. Diese lineare Skalierung der Kraft mit der Spannung ist ein bemerkenswertes Merkmal der Entdeckung und brachte die Forscher auf die Motor-Idee.
Vom Effekt zum Kunststoffmotor
Auf Grundlage dieser Beobachtungen konstruierten die Forscher nämlich einen Prototyp für einen Elektromotor, bei dem ein Rotor vollständig aus Kunststoff und die Statorstruktur aus drei Elektrodenpaaren besteht. Durch gezielte Phasensteuerung der Spannungen erzeugte der Aufbau eine kontinuierliche Rotation – ganz ohne Metall, Kupfer oder Magnete. Die benötigte Feldstärke liegt bei nur 0,03 MV/m, also etwa tausendmal niedriger als bei bisherigen elektrostatischen Antrieben – wie sie etwa bei Mikrospiegeln in Scheinwerfern oder Beamern vorkommen.
Als Antriebs-Konzept bietet das neue System mehrere Vorteile:
- Keine Seltenerdmetalle nötig
- Leichtere Bauweise dank Kunststoffrotor
- Keine elektromagnetischen Störungen, ideal für medizinische Geräte oder Datenspeicher
- Keine Kohlebürsten oder Schleifringe erforderlich
Neue Regeln für Motordesign
Die Wirkung beruht auf der transversalen elektrostatischen Kraft (TEF) in ferroelektrischen Flüssigkristallen. Durch die Ferroelektrizität richten sich die Moleküle dauerhaft entlang des elektrischen Feldes aus, wodurch die Kraft enorm verstärkt wird. Die TEF wirkt senkrecht zum elektrischen Feld, sodass beide Elektroden fixiert bleiben können. Dies reduziert die mechanische Komplexität und erhöht die Stabilität. Die Experimente belegen außerdem die Skalierbarkeit: Schon kleine Kunststoffstücke lassen sich zuverlässig bewegen, und die erzeugte Kraft bleibt über Zeiträume von mehreren Sekunden stabil.
Das Ergebnis ist ein dreiphasiger Motor, der sich gleichmäßig und leise dreht, gesteuert von Spannungen im Bereich von 0–60 V. Auf diese Weise könnte auch ein völlig neuer Typ von elektrischen Antrieben entstehen, der ressourcenschonend und leicht skalierbar ist. Ein solcher kontinuierlich rotierender Motor ließe sich nach den Erkenntnissen mit einfachen Prinzipien realisieren:
- Drei Elektrodenpaare bilden den Stator, zwei Kunststoffrotoren den Rotor.
- Die Rotorbreite muss größer sein als die Einzel-Elektrode, aber kleiner als die Summe aus Rotorbreite und Abstand zwischen den Statoren.
- Das Verhältnis von Statoren zu Rotoren sollte ein ganzzahliges Vielfaches von 3:2 betragen.
Ausblick
Noch ist der Prototyp klein, und die Flüssigkeit muss temperiert werden. Drehmoment und Leistung für praxisnahe Anwendungen sind bisher nicht veröffentlicht. Dennoch eröffnet diese Technik die Möglichkeit, elektrostatische Kräfte in bislang unerreichter Stärke zu nutzen. Ferroelektrische Motoren könnten in Zukunft eine Alternative zu klassischen Elektromotoren darstellen, insbesondere in Bereichen, in denen Gewicht, Materialkosten oder elektromagnetische Verträglichkeit entscheidend sind.
