Pictures of the Future    Frühjahr 2006

Kräftig und sensibel zugleich

Siemens-Forscher entwickeln neue Antriebe mit Kernen aus Piezo-Keramik, Kunststoffen und Nickel-Titan-Legierungen. Mit elektrischer Spannung oder Temperaturänderungen lassen sich diese "smarten" Materialien gezielt verformen. So können sie Motoren in Schwung bringen und zugleich als Sensor wirken.

_{Siemens-Forscher Gottlieb mit Piezo-Kraftpaket: Die Motoren sind klein und dabei doch sehr leistungsfähig. Sie könnten künftig z.B. in Autos konventionelle Elektromotoren ersetzen (unten)}

Der Geniestreich des Physikers Dr. Bernhard Gottlieb von Siemens Corporate Technology (CT) in München hat das Format einer Damenpistole: ein neuartiger, in einem stählernen Winkel verpackter Motor mit Piezoantrieb. Er ist kräftig genug, um ein Autofenster zu bewegen, und kann zugleich geringste mechanische Widerstände erkennen. Gegenüber konventionellen Elektromotoren hat der PAD (Piezoelectric Actuator Drive) weitere Vorteile: Er braucht kein Getriebe, dreht auch im unteren Drehzahlbereich ohne zu rucken und läuft fast geräuschlos. Zudem ist er sehr reaktionsschnell und stoppt auf wenige Bruchteile einer Bogensekunde genau – bei 2 km Länge entspräche das einer Ungenauigkeit von maximal 1 cm. Und schließlich spart der PAD Energie, denn im Haltezustand verbraucht er keinen Strom.

Ideen für Anwendungen hat Gottlieb genug. So könnte der neue Motor Fenster oder Lüftungsklappen fast geräuschlos öffnen und schließen oder Schweißlaser punktgenau in Position bringen. Er wäre klein genug für einen Medizinroboter, der dank der sensiblen Fähigkeiten des PAD zwischen Arterien und Knochen zu unterscheiden vermag und auf leichtes Antippen zur Seite gleitet, wenn der Chirurg selbst operieren möchte. Als Antriebe für Siplace-Automaten, die Leiterplatten mit elektronischen Bauelementen versehen, sind PADs im Gespräch, und auch im Auto könnten sie Elektromotoren Konkurrenz machen. "Sie eignen sich als Antrieb für elektromechanische Feststellbremsen, als Fensterheber mit Klemmschutz, als Sitzversteller oder als Klappensteller für Luftströmungen", zählt Roland Keller auf, PAD-Projektmanager bei Siemens VDO. "Auch die Luftdosis eines Airbags könnte exakt auf das Gewicht des Insassen eingestellt werden." Inzwischen gebe es etwa 30 Ideen für Anwendungen im Auto und erste Verhandlungen mit Autoherstellern.

Der neue Motor funktioniert mit piezokeramischen Materialien, die sich unter Wechselspannung ausdehnen und zusammenziehen (siehe Pictures of the Future, Herbst 2005, Piezo). Es ist eine Bewegung um Haaresbreite, die den Motor antreibt. Umgekehrt genügt geringer mechanischer Druck, um elektrische Ladungen zu verschieben – was sich als Spannungsänderung detektieren lässt. Piezomaterialien wirken daher als Antrieb und als Drucksensor. "Die Kunst war es, die mikroskopische Ausdehnung der Piezoelemente in makroskopische Bewegungen zu übersetzen", sagt Gottlieb.

Die Forscher haben dazu zwei knapp streichholzlange Piezoelemente um 90 ° versetzt an einen Stahlring montiert, jedes kräftig genug, um 220 kg zu stemmen. Werden die Piezos zeitlich versetzt mit einer Wechselspannung angesteuert, schieben sie den Ring auf einer Kreisbahn umher. Eine Motorwelle, die den Ring mit minimalem Abstand durchdringt, wird dabei seitlich berührt. Der umlaufende Kontaktpunkt zwischen Ring und Welle bringt diese zum Rotieren: quasi eine Umkehrung des Hula-Hoops. Mit einem Laser haben die Wissenschaftler zudem winzige Vertiefungen in Welle und Ring geschnitten. "Mit dieser Mikroverzahnung erreichen wir Drehmomente bis 7 Nm", erklärt Gottlieb. Der PAD ist damit ungleich stärker als Piezomotoren, die bereits auf dem Markt sind und etwa Puppenaugen oder Stromabnehmer von Spielzeugeisenbahnen bewegen.

Für die bahnbrechende Konstruktion wurde Gottlieb zu einem von zwölf Siemens-Erfindern des Jahres 2005 gekürt. An der Entwicklung maßgeblich beteiligt sind Dr. Tim Schwebel, Carsten Wallenhauer und Dr. Andreas Kappel, der das Projekt leitet, sowie eine Gruppe um Joachim Heinzl, Professor an der Technischen Universität München. Die Piezoelemente hatte das Siemens-Team unter Leitung von Prof. Hans Meixner ursprünglich für die piezogesteuerte Treibstoff-Einspritzung von Diesel- und Benzinmotoren entwickelt. Die geeigneten Materialien und Prozesstechnologien liefern Keramikexperten um Dr. Carsten Schuh: Schließlich müssen mehrere hundert dünnster Piezo-Plättchen aufeinander geschichtet werden, um bei relativ geringen Spannungen von 160 V ein Ventil bewegen zu können. Die Piezo-Einspritztechnik brachte Meixner zusammen mit Dr. Klaus Egger von Siemens VDO und Friedrich Böcking von der Robert Bosch GmbH 2005 den Deutschen Zukunftspreis des Bundespräsidenten ein.

Getriebe überflüssig. Auch Michael Mönch vom Strategischen Marketing bei Siemens CT sieht Piezotechnologie ganz vorne. "Antriebskonzepte, die auf Molekülkräften basieren, werden weltweit als Schlüsseltechnologien für künftige Motorgenerationen gehandelt", erklärt er. Das Potenzial dieser Konzepte liege vor allem in den integrierten sensorischen Fähigkeiten und in der großen Kraftausübung, die ein Getriebe häufig überflüssig mache.

Zu diesen Materialien gehören auch Metalllegierungen mit Formgedächtnis. Drähte oder Federn aus diesen Shape Memory Alloys (SMA) lassen sich bei kalten Temperaturen in die unterschiedlichsten Formen bringen, die sie bei hohen Temperaturen blitzschnell wieder einnehmen – egal wie sehr zuvor an ihnen gezogen wurde. Ein haardünner Titan-Nickel-Draht kann sich so um etwa ein Zwanzigstel seiner Länge bewegen und dabei ein Gewicht von 100 g stemmen. Als Schalter sind diese Metalllegierungen bereits feste Bestandteile in Haushaltsgeräten, etwa in Geschirrspül- und Kaffeemaschinen der Bosch und Siemens Hausgeräte GmbH (siehe Pictures of the Future, Frühjahr 2003, Adaptronic). Sie können zudem Arterien erweitern und Sonnensegel im Weltall öffnen.

"Wir wollen die smarten Aktoren auch für Antriebe nutzen", erklärt Dr. Heinz Zeininger von Siemens CT in Erlangen. Er kombiniert Drähte und Federn zu potenten Bewegungsapparaten – ein Beispiel sind zwei aneinander geknüpfte Drähte. Durch den einen wird Strom geschickt, dabei erwärmt er sich und zieht den zweiten in die Länge. Wenn nun dieser gedehnte Draht unter Strom gesetzt wird, zieht er sich zusammen und dabei den ersten Draht wieder auseinander – und das Spiel beginnt von vorne. Dieser Zwei-Draht-Antrieb bringt im Labor schon Kurbelwellen in Schwung. Ein geeignetes Mantelmaterial sorgt für schnelle Abkühlung bei der Streckbewegung. Allerdings müsse die Bewegung der Drähte noch besser aufeinander abgestimmt werden, sagt Zeininger. Seine Vision sind SMA-Aktoren und -Antriebe, die künftig Autospiegel oder Lüftungsklappen einer Klimaanlage verstellen  – oder als Pumpen wirken, um warmes Wasser aus der Erde zu fördern. Die nötige Wärme wäre hier zum Nulltarif vorhanden.

Herz aus Kunststoff. Eine ähnliche Längenausdehnung wie die SMAs bieten auch manche Kunststoffe: elektroaktive Polymere. In einer Flüssigkeit strecken sich die langen Molekülketten oder ziehen sich zusammen, wenn sie unter Strom stehen. Ursache ist eine elektrochemische Reaktion, bei der die Polymere reduziert oder oxidiert werden. Dabei ändern sich die Bindungswinkel im Molekül. Solche Polymere könnten etwa als künstliche Muskeln zum Einsatz kommen. Bei Siemens in Berlin leitet Dr. Frank Arndt das Projekt Elastomeraktorik. "Wir setzen zwei dünne Metallschichten unter Spannung, zwischen denen hochelastisches Silikon steckt." Werden diese Metallflächen elektrisch entgegengesetzt aufgeladen, ziehen sie sich elektrostatisch an und drücken das Silikon zusammen. Nimmt man die Spannung weg, dehnt sich das Silikon und schiebt die Platten auseinander. Ein solches "Kunststoffherz" wäre sehr preisgünstig. Die Forscher können damit eine Ausdehnung bis zu 30 % erreichen. "Noch in diesem Jahr", ist sich Arndt sicher, "werden wir zeigen, dass das Herz aus Kunststoff schlägt."
                                                                                                       Andrea Hoferichter