Entdeckung eines 17-jährigen Genies könnte die Zukunft der gesamten Automobilbranche revolutionieren

Elektroautos könnten dank der Entdeckung eines 17-jährigen US-Amerikaners künftig auf einen Teil der wertvollen Seltenen Erden verzichten und gleichzeitig eine höhere Reichweite erzielen. (Bildquelle: Pixabay.com / Peter Gottschalk, alle Rechte vorbehalten).

Der Umstieg von Verbrennern auf Elektromotoren birgt eine ganze Reihe von Problemen. Eines davon ist der Bedarf an sogenannten Seltenen Erden. Um die elektrische Energie respektive Leistung aus den Akkus in Bewegungsleistung umzuwandeln, braucht es Magnete, die unter anderem aus den Seltenen Erden Neodymium, Samarium und Dysprosium bestehen.

Ein 17-Jähriger hat jedoch eine Entdeckung gemacht, durch die in Zukunft auf die begehrten Ressourcen in Elektromotoren verzichtet werden könnte. Die US-amerikanische Society for Science hat den jungen Floridianer dafür mit dem höchstdotierten voruniversitären Forschungspreis des Landes ausgezeichnet (via Smithsonian Magazine).

Was genau hat der junge Amerikaner entdeckt?

So funktionieren typische Elektromotoren in Fahrzeugen

Um das zu verstehen, müssen wir uns die Funktionsweise typischer Elektromotoren für Automobile etwas genauer ansehen. Damit diese genug Leistung mit gleichzeitig möglichst geringem Energieaufwand auf die Straße bringen, sind sie mit Permanentmagneten und elektrischen Spulen versehen. Letztere erzeugen ein Magnetfeld, dessen Ausrichtung von der Stromrichtung abhängig ist. Nord- und Südpol wechseln ständig, wodurch die Pole der Spulen vom Permanentmagnet abwechseln angezogen und abgestoßen werden. Durch die so entstehende Rotation wiederum wird gleichzeitig die Antriebsachse des Motors in Bewegung versetzt.

Theoretisch ließe sich der Permanentmagnet, der seinerseits aus den Seltenen Erden besteht, durch eine feststehende Spule ersetzen. Allerdings kostet das wertvolle Energie, die in Akkumulatoren für Fahrzeuge ohnehin stark begrenzt ist. Das zugrundeliegende physikalische Prinzip ist jedoch in beiden Fällen die Lorentzkraft. Wie Forscher die Kraft von Algen nutzen, um einen Mini-PC anzutreiben, erfahrt ihr im folgenden Artikel:

Photosynthese für Computer

Wie Forscher mit Algen einen Rechner betreiben

von Alexander Köpf

Synchron-Reluktanzmotoren

Anstatt der Lorentzkraft lässt sich aber auch die stark verwandte Reluktanzkraft in Elektromotoren nutzen. Sie entsteht aufgrund der Änderung des magnetischen Widerstands (Reluktanz) und setzt dabei keine Permanentmagnete voraus. Die Drehbewegung des Magnetfeldes wird zwar ebenfalls durch Induktion, also elektrische Felder erzeugt, allerdings durch eine besondere Anordnung der (drei) Spulen samt dreiphasiger Wechselspannung, die das komplette Magnetfeld im Stator (feststehender Ständer) rotieren lässt. Der eigentliche Rotor samt der Antriebsachse wird synchron mit dem Magnetfeld bewegt, weshalb diese Elektromotoren als Synchron-Reluktanzmotoren bezeichnet werden.

Synchron-Reluktanzmotoren, auch Drehstrom-Synchronmaschinen genannt, gibt es schon seit dem 19. Jahrhundert. Sie finden sich beispielsweise in Lüftern. In Fahrzeugen kommen sie allerdings nicht zum Einsatz, da sie schlicht zu wenig Drehmoment erzeugen – zumindest bislang. Hier setzt die Entdeckung respektive Erfindung des 17 Jahre alten Robert Sansone an. Anstatt der für Synchron-Reluktanzmotoren wichtigen, sogenannten Air Gaps (Luftsperren, Flusssperrenschnitt) setzt er weitere magnetische Felder ein.

In Sansones Experimenten wurde das Drehmoment dadurch um bis zu 39 Prozent erhöht, gleichzeitig wurde auch die Energieeffizienz (31 Prozent bei 300 RPM, 37 Prozent bei 750 RPM) drastisch gesteigert. Ein hoher Wirkungsgrad ist dabei ohnehin schon eine Besonderheit dieser Art von Elektromotoren.

Revolution steck noch in den Kinderschuhen

Da die Prototypen in Ermangelung besserer Materialien aus 3D-gedrucktem Kunststoff bestehen, konnte Sansone die Drehzahl nicht über 750 RPM treiben. Um das einmal in Relation zu setzen: Der Motor in Teslas Model S erreicht bis zu 18.000 RPM. Das heißt, weitere Tests sind erforderlich, um die tatsächliche Leistung von Sansones modifiziertem Synchron-Reluktanzmotor zu ergründen.

Für die Automobilindustrie könnte das nichts Geringeres als eine Revolution bedeuten. Nicht nur könnte dadurch auf wertvolle und teure Seltene Erden verzichtet werden, gleichzeitig wären die Motoren auch noch energieeffizienter, was der immer noch stark begrenzten Reichweite von Elektroautos zugutekäme. Wir sind sehr gespannt, wie es mit der Technologie weitergeht. Die 75.000 US-Dollar für den ersten Platz des ISEF-Forschungswettbewerbs hat sich der junge Amerikaner unserer Meinung jedenfalls redlich verdient. Ebenfalls revolutionär könnte die folgende Zufallsentdeckung sein:

• Sensationelle Zufallsentdeckung: Akkus könnten bald um ein Vielfaches länger halten

Was meint ihr? Hat diese Entdeckung das Potenzial, die Automobilbranche zu revolutionieren? Oder glaubt ihr, dass man bald nichts mehr davon hören wird? Schreibt es uns gerne in die Kommentare!

Bild: Peter Gottschalk. Bildquelle: Pixabay unter der Pixabay-Lizenz.