Metallisches Glas macht Elektromotoren effizienter

Elektromotoren treiben heute unzählige Geräte an – vom E-Bike über Drohnen bis zur elektrischen Zahnbürste. Sie gelten als besonders effizient. Ganz ohne Verluste arbeiten sie jedoch nicht. Ein Teil der elektrischen Energie geht im Motor verloren und wird zu Wärme. Vor allem kleine Antriebe sind davon betroffen. Das begrenzt Leistung, Effizienz und oft auch die Reichweite batteriebetriebener Geräte. Forscher suchen deshalb nach neuen Materialien, die solche Energieverluste verringern können. Ein Team um Professor Ralf Busch von der Universität des Saarlandes untersucht dafür einen ungewöhnlichen Werkstoff: metallisches Glas.

Die Wissenschaftler prüfen derzeit, wie sich solche Legierungen nutzen lassen, um Elektromotoren effizienter zu machen und elektrische Geräte sparsamer zu betreiben.

Wie metallisches Glas Elektromotoren effizienter machen kann

Elektromotoren funktionieren durch Magnetfelder. Im Inneren des Motors drehen sich Bauteile, während sich das Magnetfeld ständig verändert. Dadurch entsteht Bewegung. Dieses wechselnde Magnetfeld wirkt auf winzige magnetische Bereiche im Metall des Motors. Man kann sie sich wie sehr kleine Kompassnadeln vorstellen. Sie richten sich immer wieder neu aus, sobald sich das Magnetfeld ändert.

Dieser Vorgang passiert unzählige Male pro Sekunde. Dabei entsteht Reibung im Material. Ein Teil der Energie geht verloren und wird zu Wärme. „Und je kleiner die Motoren sind, desto ineffizienter werden sie“, erklärt Professor Busch. Besonders bei Drohnen oder E-Bikes geht deshalb vergleichsweise viel Energie verloren.

Warum gewöhnliche Metalle Energie verlieren

In klassischen Elektromotoren bestehen wichtige Bauteile aus Eisenlegierungen. Die Atome in diesen Metallen sind regelmäßig angeordnet. Sie bilden ein geordnetes Kristallgitter.

Diese Struktur beeinflusst die magnetischen Eigenschaften des Materials. Wenn sich das Magnetfeld im Motor verändert, müssen sich auch die kleinen magnetischen Bereiche neu ausrichten. Das Kristallgitter wirkt dabei wie ein Hindernis.

Die magnetischen Bereiche stoßen dabei immer wieder auf Widerstand im Material. Dadurch entsteht Reibung, bei der ein Teil der Energie als Wärme verloren geht. Fachleute sprechen von sogenannten Eisenverlusten.

Metallisches Glas besitzt eine andere innere Struktur

Metallisches Glas funktioniert anders. In diesem Material sind die Atome nicht regelmäßig angeordnet. Statt eines festen Kristallgitters entsteht eine ungeordnete Struktur. Der Name „Glas“ beschreibt nur diese atomare Struktur. Das Material bleibt trotzdem ein Metall.

Diese Struktur hat einen entscheidenden Vorteil. Die magnetischen Bereiche können sich leichter bewegen, wenn sich das Magnetfeld verändert. „Weil metallische Gläser keine Kristallite besitzen, können sich die magnetischen Bereiche frei bewegen“, erklärt Busch.

Dadurch entsteht deutlich weniger Reibung im Material. Der Motor verliert weniger Energie und bleibt gleichzeitig kühler.

Warum kleine Verbesserungen große Wirkung haben

Elektromotoren arbeiten in Milliarden Geräten. Schon kleine Effizienzgewinne können deshalb große Auswirkungen haben. Wenn Motoren weniger Energie verlieren, entstehen mehrere Vorteile:

Geräte verbrauchen weniger Strom
Akkus halten länger
Motoren werden weniger heiß
mobile Geräte erreichen größere Reichweiten

„Allein durch den Austausch des Materials können wir den Energieverbrauch vieler elektrischer Geräte senken“, sagt Busch.

Besonders batteriebetriebene Geräte könnten davon profitieren. E-Bikes oder Drohnen könnten mit derselben Batterie länger fahren oder fliegen.

Motorbauteile entstehen mit Metall-3D-Druck

Die neuen Legierungen bestehen zu 70 bis 80 Prozent aus Eisen. Daraus stellen die Forscher Motorbauteile her. Dafür nutzen sie modernen Metall-3D-Druck. Ein Laser schmilzt feines Metallpulver. Das Bauteil entsteht anschließend Schicht für Schicht. Jede Schicht ist etwa 50 Mikrometer dick – ungefähr halb so dick wie ein menschliches Haar.

Das Verfahren heißt Laser Powder Bed Fusion. Damit lassen sich komplexe Bauteile präzise herstellen. Motorenkomponenten können so vollständig aus metallischem Glas gefertigt werden.

Die Suche nach der richtigen Legierung

Der Weg zum passenden Material war aufwendig. Die Forscher untersuchten Hunderte verschiedener Legierungen. Viele dieser Mischungen funktionierten nicht. Manche bildeten beim Abkühlen wieder Kristallstrukturen. Andere ließen sich nicht im 3D-Druck verarbeiten.

In manchen Legierungen stecken bis zu fünf verschiedene Metalle. Dadurch entsteht ein riesiger Raum möglicher Kombinationen. „Wenn eine Legierung versagt, müssen wir wieder ganz von vorne beginnen“, beschreibt Busch die Arbeit im Labor.

Am Ende identifizierten die Forscher drei Legierungen, die stabil glasartig bleiben und sich gleichzeitig drucken lassen.

Europäisches Forschungsprojekt mit Millionenförderung

Die Forschung ist Teil des Projekts AM2SoftMag. Die Europäische Union unterstützt das Vorhaben mit 3,5 Millionen Euro aus dem Programm Horizon Europe Pathfinder.

Das Projekt begann 2022 und läuft bis Februar 2026. Mehrere Partner arbeiten zusammen. Dazu gehören Forschungsinstitute und Unternehmen aus:

Deutschland
Spanien
Italien
Polen

Ein Industriepartner produziert die neuen Motorbauteile im 3D-Druck. Andere Institute untersuchen die magnetischen Eigenschaften der Materialien.

Von der Grundlagenforschung zur Anwendung

Professor Busch erforscht metallische Gläser seit vielen Jahren. Seine Arbeitsgruppe entwickelte bereits mehrere besonders feste Legierungen. Einige dieser Materialien wurden sogar unter Schwerelosigkeit auf der Internationalen Raumstation ISS getestet. Solche Experimente helfen Forschern, das Verhalten der Metalle besser zu verstehen.

Die aktuellen Arbeiten sollen nun den nächsten Schritt ermöglichen. Die Wissenschaftler wollen Motorbauteile entwickeln, die sich auch industriell herstellen lassen. Wenn das gelingt, könnten viele Geräte effizienter arbeiten. Elektromotoren würden weniger Energie verlieren – und Akkus könnten durch metallisches Glas deutlich länger durchhalten.

Kurz zusammengefasst:

Elektromotoren verlieren Energie durch sogenannte Eisenverluste. Winzige magnetische Bereiche müssen sich ständig neu ausrichten. Dabei entsteht Reibung, die Energie in Wärme umwandelt.
Metallisches Glas kann diese Verluste in Elektromotoren reduzieren. Da seine Atome kein geordnetes Kristallgitter bilden, können sich magnetische Bereiche leichter bewegen.
Die Forschung der Universität des Saarlandes zeigt großes Anwendungspotenzial. Neue Legierungen mit 70–80 Prozent Eisen, hergestellt im Metall-3D-Druck, könnten Motoren in E-Bikes, Drohnen oder Haushaltsgeräten effizienter machen.

Übrigens: Während metallisches Glas Elektromotoren effizienter machen soll, arbeiten Forscher parallel an Batterien, die deutlich mehr Energie speichern können. Eine neue Lithium-Luft-Batterie aus Japan nutzt Sauerstoff aus der Luft und könnte theoretisch Energiedichten erreichen, die heutigen Benzinmotoren erstaunlich nahekommen – mehr dazu in unserem Artikel.