Neuer Miniantrieb: Hohe Drehzahl, tiefe Hitze
Forscher der ETH Zürich haben ein neues elektrisches Mini-Antriebssystem entwickelt, das es auf 500'000 Umdrehungen pro Minute bringt.
Damit verdoppelt sich die maximale Leistung gegenüber herkömmlichen industriell eingesetzten Motoren.
Rotierende und sehr hochtourig drehende Werkzeuge werden in zahlreichen Industriezweigen eingesetzt. Aber auch in der Medizin, zum Beispiel beim Zahnarzt, benötigt man sie.
Ein Problem bei diesen Instrumenten ist die Wärme, die sich wegen der hohen Drehzahl entwickelt. Anderseits sind in Zukunft immer höhere Geschwindigkeiten gefragt, so zum Beispiel für Bohrer in der Medizinaltechnik oder Spindeln in der Werkstoffbearbeitung.
Um solche Werkzeuge direkt und effizient anzutreiben, braucht es ultrahochdrehende elektrische Antriebssysteme.
Halbe Million Umdrehungen pro Minute
Bisher erreichten industriell eingesetzte Motoren Drehzahlen bis maximal 250’000 Umdrehungen pro Minute. Beim neuen, an der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) in Zürich entwickelten Motor sind bis doppelt so viel Umdrehungen möglich.
Laut den Forschern handelt es sich dabei um eine technologische Revolution, mit Anwendungs-Möglichkeiten in diversen industriellen Sektoren. «Bisher gaben elektrisch betriebene, hochdrehende Motoren reibungsbedingt zuviel Wärme ab», erklärt Christof Zwyssig.
Der Hauptverantwortliche des Projekts beschreibt diese Wärme als unerwünschten Nebeneffekt, wenn beispielsweise medizinische Instrumente am menschlichen Körper eingesetzt werden. «Unser neues Antriebssystem reduziert die Hitzeabgabe drastisch», so Zwyssig.
Kaum grösser als Zündholzschachtel
Das System generiert 100 Watt Arbeitsleistung und ist kaum grösser als eine Zündholzschachtel. Die Rotorkonstruktion besitzt einen Mantel aus dem widerstandskräftigen Metall Titan, das extremen Zentrifugalkräften ausgesetzt werden kann.
Ein verlustarmer Stator sorgt für höchste Wirkungsgrade, und die hochkompakte Elektronik besitzt eine digitale Regelung.
Guter alter Zahnarzt-Bohrer
So konnte das neue Antriebssystem den guten alten Bohrer des Zahnarztes überflüssig machen. Diese heute gebräuchlichen hochtourigen Bohrer werden mit komprimierter Luft angetrieben.
«In Zukunft könnten solche hochdrehenden Bohrer mit Strom betrieben werden», sagt Zwyssig.
«Der Einsatznutzen von Instrumenten zur Bearbeitung von Materialien hängt von der Geschwindigkeit ab, zu welcher der Antrieb fähig ist», so Zwyssig. «Mit diesem Problem setzen sich vor allem jene Industriezweige auseinander, die Präzisions-Instrumente herstellen.»
Impulse für die Industrie
Das neue Antriebssystem soll weitere innovative Entwicklungen ermöglichen und verschiedenen Industriezweigen neue Impulse geben.
Bei der portablen Energieversorgung könnten zum Beispiel bald ultrakleine Gasturbinen die heute verwendeten Batterien ersetzen.
Ein anderes Beispiel wären extrem leichte Turbokompressor-Systeme zur Wirkungsgrad-Steigerung von Brennstoffzellen in Fahrzeugen.
«Ungeheure» Geschwindigkeiten
«Ich bin zwar kein Experte auf dem Gebiet von mechanischen Konstruktionen, aber 500’000 Umdrehungen sind ungeheuer», sagt Andrea Milani, Mathematik-Dozent an der Universität Pisa in Italien. «Eine Festplatte in Computern der jüngsten Generation dreht sich rund 10’000 Mal pro Minute, jene der Computer im Hause 7200 Mal.»
Verbrennungsmotoren wie in unseren Fahrzeugen bringen es, so Milani, auf rund 6000 Umdrehungen pro Minute.
Die Zukunft bringt noch schnellere Drehzahlen
Die Entwicklung des Motoren-Prototyps hat 10’000 Franken gekostet. Doch bei einer Aufnahme der industriellen Produktion dieses Kleinmotors könnten sich die Kosten auf 20 Franken für die Elektronik und auf 50 Franken für die Mechanik des Apparats reduzieren.
Aber die Ambitionen des Wissenschafts-Teams der ETH in Zürich gehen noch weiter: Sie peilen die Ein-Millionen-Drehzahl pro Minute an. Das setzt aber neue Materialien voraus sowie die Unterstützung von Magneten und Luft für den Motor.
Zwyssig schaut in die Zukunft: «Wir blicken nach vorn und haben gesehen, dass sehr wohl eine Nachfrage nach Motoren mit einer noch höheren Drehzahl besteht.»
swissinfo, Jacopo Pasotti und Agenturen
Rotierende, mit Strom betriebene Werkzeuge erreichten bisher maximal 250’000 Umdrehungen pro Minute.
Das Problem dieser Instrumente ist die unerwünschte Wärme, die dabei entsteht.
Am Power Electronic Systems Laboratory der ETH Zürich haben Wissenschafter um Christof Zwyssig ein neues Antriebs-System entwickelt.
Dieses erreicht eine halbe Million Umdrehungen.
Die Forschung konzentriert sich nun auf Instrumente mit einer Million Umdrehungen.
Hoch- und ultrahochtourig drehende Instrumente benutzt man in der Präzisions-Industrie und in der Medizin.
Das bekannteste Instrument ist der Zahnarzt-Bohrer. Dieser wird heute gängigerweise mit komprimierter Luft angetrieben, um das Wärmeproblem zu umgehen.
Andere Anwendungs-Gebiete wären ultrakleine Gasturbinen für die portable Energieversorgung, oder leichte Turbokompressoren.
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