Graphen steigert Leistung von Elektromotoren

Geringfügige Dotierung von Kupfer wirkt laut Pacific Northwest National Laboratory Wunder

Ein PNNL-Forscher mit Leitern aus Kupfer und Graphen (Foto: Andrea Starr, pnnl.gov)

Richmond (pte003/22.12.2023/06:05) - Motoren in E-Autos, Industrie und Haushalten haben künftig eine höhere Leistung, obwohl sie nicht mehr Strom verbrauchen. Das Kunststück ist Forschern des Pacific Northwest National Laboratory ( https://www.pnnl.gov ) gelungen, und zwar ausgerechnet mit einem Phänomen, das eher negativ beurteilt wird: mit Verschmutzung. Sie haben Kupfer, dem in E-Motoren hauptsächlich verwendeten Material, winzige Mengen an Graphen hinzugefügt.

Widerstand sinkt um elf Prozent

Die physikalische Erklärung: Strom, der durch einen Leiter fließt, trifft auf einen Widerstand. Bei dessen Überwindung entsteht Wärme, die zumindest in Motoren unerwünscht ist. Die Zugabe von 18 Teilen Graphen auf eine Mio. Teile Kupfer hat eine frappierende Wirkung. Sie senkt den Widerstand des Kupferleiters um elf Prozent.

"Diese Entdeckung widerspricht allem, was bisher über das Verhalten von Metallen als Leiter bekannt ist. Typischerweise erhöht das Einbringen von Additiven in ein Metall dessen Temperaturkoeffizienten, was bedeutet, dass sie sich bei gleichen Stromstärken schneller erwärmen als reine Metalle. Wir haben genau das Gegenteil erreicht", sagt Materialwissenschaftlerin Keerti Kappagantula.

Gleichmäßige Struktur mit Clustern

Zur Herstellung der neuen Leiter haben die Forscher das Festphasen-Reibungsextrusionsverfahren eingesetzt. Ausgangsmaterial sind pulverförmiges Kupfer und ebenso strukturiertes Graphen. Der Mix wird so heftig durcheinandergerüttelt, dass durch Reibung die Kupferpartikel anschmelzen. In dem Zustand wird er extrudiert, durch eine Düse gepresst, sodass ein endloser Leiter entsteht.

Dieser Leiter hat eine gleichmäßige, nahezu porenfreie Mikrostruktur, die mit winzigen Flocken und Graphen-Clustern durchsetzt ist, die möglicherweise für die Verringerung des Widerstands verantwortlich sind. Heutige Motoren sind für den Betrieb innerhalb eines begrenzten Temperaturbereichs ausgelegt, denn wenn sie zu heiß werden, sinkt die elektrische Leitfähigkeit dramatisch. Die Kabel können durchbrennen. Mit dem neuen Kupfer-Graphen-Verbund können Motoren bei höheren Temperaturen betrieben werden, ohne dass der Widerstand verloren geht.

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