Allein durch neuartige Materialien könnten Elektrogeräte in Zukunft weniger Energie verbrauchen, Drohnen länger fliegen und E-Bikes weiter fahren: 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. Zusammen mit seinem Saarbrücker Kollegen Professor Matthias Nienhaus und internationalen Partnern erforschen sie die Grundlagen, wie Motorkomponenten im 3D-Druck hergestellt werden können. Die EU förderte die Forschung mit 3,5 Millionen Euro.
Ob in E-Bikes, Drohnen oder elektrischen Zahnbürsten: Elektromotoren stecken überall. Sie wandeln Strom in Bewegung um – und verlieren 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. 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.
„Wir arbeiten daran, diese Effizienzverluste zu verringern, indem wir das Material in den Elektromotoren verbessern. 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 die Kristallstruktur sogar ganz fehlt, das Material also 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. 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.
Metallisches Glas ist anders, als der Begriff vermuten lässt, nicht zerbrechlich, sondern weit fester als Stahl. Die Bezeichnung „Glas“ beruht nur auf den inneren Werten des außergewöhnlichen Metalls: Es gibt kein Kristallgitter. „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, im Spritzgussverfahren oder wie hier mittels Metall-3D-Druck – woran für die Motorkomponenten gerade gearbeitet wird: Das neue Material wird in Pulverform mit dem Laser so aufgeschmolzen und abgekühlt, dass 50 Mikrometer feine Lagen Schicht für Schicht zu Motorbauteilen werden – durch und durch amorph, als metallisches Glas, ohne störende Kristallite.
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 Ralf Busch und Matthias Nienhaus in einem europaweiten Projekt mit Forscherinnen und Forschern aus Spanien, Italien, Polen und Deutschland zusammen.
Der Europäische Innovationsrat finanzierte das Projekt AM2SoftMag (Additive Manufacturing of Amorphous Metals for Soft Magnetics) im Horizont-Programm Europe Pathfinder-Open seit 2022 bis Februar 2026 mit 3,5 Millionen Euro.
(HORIZON-EIC-2021-PATHFINDEROPEN-01 grant; GA: 101046870)
Europäisches Konsortium
Beteiligt am Projekt sind die Materialforscherin Professor Isabella Gallino, die das Projekt 2022 an der Universität des Saarlandes eingeworben hatte und seit 2024 an der Technischen Universität Berlin forscht und lehrt. Dem Konsortium gehört außerdem als Industriepartner Heraeus Amloy Technologies an (Karlstein am Main, Deutschland), der für das 3D-Drucken der magnetischen Komponenten zuständig ist. Weitere Projektpartnerinnen und Partner sind Dr. Teresa Pérez Prado in Madrid (Fundación Imdea Materiales, Spanien) als Spezialistin für den 3D-Druck von Metallen sowie Dr. Paola Tiberto in Turin (Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica-INRIM, Italien). Das INRIM ist führend, wenn es um Messungen der magnetischen Eigenschaften an neuen Materialien geht. Die Spezialisten für die Herstellung von Metallpulvern kommen aus Warschau: Beteiligt ist Dr. Tomasz Choma von der Firma Amazemet.
