Forschung: Nein, Carbon-Nanotubes werden keine Kupferspulen ersetzen
Der koreanische Forscher Dae-Yoon Kim hat in der Fachzeitschrift Advanced Composites and Hybrid Materials eine Arbeit über Elektromotoren(öffnet im neuen Fenster) mit elektrisch leitfähigen Kohlefaserspulen veröffentlicht. Der metallfreie Motor treibt ein Spielzeugauto an, was Kim und dessen Kollegen veranlasst hat, im Paper und in einer Pressemeldung(öffnet im neuen Fenster) mit vielen Halbwahrheiten über das Potenzial der Carbon-Nano-Tubes (CNT – dt. Kohlenstoffnanoröhrchen) als leichtgewichtige Motoren für Elektromobilität zu spekulieren.
Der Erfolg blieb nicht aus. Schlagzeilen berichteten von ultraleichten metallfreien Elektromotoren(öffnet im neuen Fenster) oder von einem zu 100 Prozent unmöglichen Motor(öffnet im neuen Fenster) ; ein Titel versprach sogar die baldige Fertigung(öffnet im neuen Fenster) .
Tatsächlich sind weder eine Massenproduktion noch bahnbrechende Leistungsrekorde zu erwarten. Gezeigt wurde nur die Herstellung von Drähten aus einer Lösung eines lyotropen Flüssigkristalls(öffnet im neuen Fenster) mit bereits vorgefertigten Kohlenstoffnanoröhrchen, die zur Reinigung von Katalysatorüberresten mit Chlorsufonsäure gemischt wurde. Anschließend wurden die Drähte gezogen, gewickelt und mit einer Plastikfolie überzogen.
Im Paper steht: "Obwohl die elektrische Leitfähigkeit der CNT-Drähte [durch den neuen Prozess] um 133 % erhöht wurde, ist es noch immer ein Fakt, dass die Leistung des gebauten elektrischen Motors nicht die von Motoren mit Kupferkabeln erreicht." Danach folgen Spekulationen, ob weitere Verbesserungen zu ähnlicher Leistung wie Kupfer führen könnten.
Ein besseres Wundermaterial existiert bereits
Diese Spekulationen sind vollkommen überflüssig. Denn ein Wundermaterial, das bei gleichem Gewicht fast genau doppelt so gut Strom leitet wie Kupfer, existiert bereits: Aluminium, das dritthäufigste Element der Erdkruste. Im Vergleich zu Kupfer müssen Aluminiumkabel dennoch etwa 30 Prozent dicker sein, weil Kupfer mit fast 9 g/cm 3 mehr als die dreifache Dichte von Aluminium mit nur 2,7 g/cm 3 hat.
Die Dichte der CNT-Drähte ist vergleichbar mit Magnesium und beträgt 1,7 g/cm 3 . Die CNT-Drähte müssen mehr als doppelt so dick sein, um Strom mit dem gleichen Widerstand wie Aluminium zu leiten, selbst mit Magnesium wären es hingegen nur 27 Prozent mehr.
Deshalb ist selbst die höhere mechanische Stabilität der CNT-Drähte kein Argument, da das leichtere Aluminium in schnell drehenden Motoren geringere Kräfte erzeugt und selbst dann noch mechanisch mit Kohlenstoff verstärkt werden kann.
Kupfer in Elektromotoren sollte ersetzt werden
Kupferfreie Elektromotoren sind dennoch eine gute Idee. Denn Kupfer ist teuer, schwer und wird aus Erzen mit durchschnittlich 0,6 Prozent Kupfergehalt hergestellt, während Bauxit 15 bis 30 Prozent Aluminium enthält. Es muss im Vergleich zu Aluminium 50 bis 100 mal so viel Gestein mit Kupfererz abgebaut und verarbeitet werden, um die gleiche Menge Strom zu leiten.
Eine Studie(öffnet im neuen Fenster) geht sogar davon aus, dass für Kupfer im Vergleich zu Aluminium durchschnittlich 73-mal so viel Gestein – inklusive Abraum – abgebaut werden muss, also fast 150 mal so viel für die gleiche elektrische Leitfähigkeit. Deshalb kostet dieses Kupfer rund sechsmal so viel, bei höherem Energieverbrauch und größeren Umwelteinflüssen.
Motoren mit Aluminiumdrähten sind mit vergleichbarer Leistung und Effizienz zwar leichter, allerdings auch größer als Motoren mit Kupfer. Dadurch geht ein Teil der Gewichtseinsparung durch größere innere Strukturen und Gehäuse verloren.
Aluminium ist gut, aber geht es noch besser?
Umgekehrt sind deshalb Motoren der gleichen Größe mit Aluminium statt Kupferspulen leichter und billiger, aber auch weniger leistungsfähig oder weniger effizient, je nach genauer Auslegung des Motors. Die rechtzeitige Einplanung etwas größerer Motoren kann diese Nachteile vermeiden.
Aluminium ist übrigens nicht der beste elektrische Leiter. Bei vergleichbarem elektrischen Widerstand ist Aluminium rund 50 Prozent schwerer als Natrium, das prinzipiell mit viel weniger Bergbau und geringerem Strombedarf hergestellt werden kann. Die Diskussion dieser Tatsache sei aber dem Leserforum überlassen.
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