Forschung Kabelloser Mikromotor treibt durch Verdrillung an

Zwei Forschergruppen haben einen Mikromotor aus verdrillter Faser vorgestellt, der als Antrieb dienen kann. Das Ergebnis kann ein wichtiger Schritt hin zu vielen Anwendungen sein – wie Mikroroboter oder autonome Systeme.

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Forscher des Helmholtz-Zentrums Geesthacht und der Université de Bordeaux haben einen effizienten Mikromotor und zugleich Energiespeicher im Fachmagazin Science vorgestellt. Der einfach aufgebaute Motor besteht aus einer Kunststoff-Mikrofaser, die bei Raumtemperatur steif ist. Bei Erwärmung wird die Faser elastisch und kann verdrillt werden – wie bei einem Modellflugzeug mit Gummiband. Wieder abgekühlt soll die Faser aber anders als Gummi ihren verdrillten Zustand beibehalten; so lange, bis man sie am Einsatzort erneut erwärmt. Die Drehspannung kehrt zurück, das bewegliche Ende beginnt sich zu drehen und der „Mikrofaser-Motor“ kann als Antrieb dienen.

Höheres Drehmoment mit Graphenoxid

Um eine hohe Energiedichte bei der Speicherung zu erreichen, versteifen die Forscher den Kunststoff mit winzigen Blättchen aus Graphenoxid. Hauptautor 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.

Drehungen und Temperaturbereich können vorbestimmt werden

Prof. Andreas Lendlein, Mitautor und 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 sogenannte 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 sollen 80% der durch die Verdrillung der Faser programmierten Drehungen wieder abgerufen werden können. Für künftige medizinische Anwendungen kann man aber auch mit einem Kunststoff arbeiten, der bei Körpertemperatur schaltet.

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Wichtiger Schritt hin zur Anwendung

„Dieses Ergebnis ist ein wichtiger Schritt hin zu vielen Anwendungen – wie Mikroroboter oder gar autonome Systeme, bei denen die Programmierung beispielsweise mit Windkraft erfolgen könnte“, so Lendlein.

Für viele Zwecke ist ein Elektromotor im Vergleich 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 soll sie 60-mal höher als bei natürlichen Skelettmuskeln sein.

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