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Mehr mechanische Power Verdrehte Stäbe aus Metamaterialien speichern viel Energie

Quelle: Peter Königsreuther 2 min Lesedauer

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Mechanische Metamaterialien mit hoher elastischer Energiedichte hat ein am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) koordiniertes internationales Team jetzt entwickelt ...

Hier blickt man auf das Ergebnis einer Forschung zum Thema Metamaterialien und mechansiche Energiespeicherung. Entwickelt hat es ein internationales Team, an dem auch das IAM des KIT aus Karlsruhe maßgeblich beteiligt war. In diesem Beitrag erklären die Experten, was das soll ...(Bild: IAM des KIT / A. Sefrin)
Hier blickt man auf das Ergebnis einer Forschung zum Thema Metamaterialien und mechansiche Energiespeicherung. Entwickelt hat es ein internationales Team, an dem auch das IAM des KIT aus Karlsruhe maßgeblich beteiligt war. In diesem Beitrag erklären die Experten, was das soll ...
(Bild: IAM des KIT / A. Sefrin)

Ob Federn zur Energieaufnahme, Puffer für die Energiespeicherung oder auch flexible Strukturen für Roboter oder energieeffizientere Maschinen – viele Ideen erfordern eine mechanische Energiespeicherung zur Umsetzung, sagen die KIT-Forscher. Dabei wird kinetische Energie – etwa Bewegungsenergie – oder entsprechende mechanische Arbeit als elastische Energie gespeichert, die bei Bedarf wieder vollständig freigesetzt werden kann, so die Erklärung. Die zentrale Kenngröße für das Speichervermögen heißt Enthalpie. Sie steht für die Energiedichte, die sich in einem Materialelement speichern und zurückgewinnen lässt. Experten vom Institut für Angewandte Materialien (IAM) des KIT merken dazu an, dass die Schwierigkeit darin besteht, widersprüchliche Eigenschaften zu kombinieren – und zwar hohe Steifigkeit mit großer zurückstellbarer Verformung bei limitierter Festigkeit.

Mit einem einfachen Rundstab fing das Ganze an

Künstlich entworfene Materialien, also solche, die in der Natur nicht vorkommen, werden Metamaterialien genannt. Sie ermöglichten es etwa, Materialeigenschaften gezielt anzupassen, weil sie sich aus einzeln bestimmten Einheiten aufbauen ließen. Aber Professor Peter Gumbsch, der auch das Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik (IWM) in Freiburg leitet, ist es mit Kollegen aus China und den USA nun gelungen, mechanische Metamaterialien mit hoher zurückgewinnbarer, elastischer Energiedichte zu entwickeln. Wie es dazu heißt, entdeckte man vorher einen Mechanismus, mit dem sich eine große Menge Energie in einem einfachen Rundstab speichern lässt. Und zwar so, dass dieser bricht, oder sich dauerhaft verformt. Diese Erkenntnis wurde dann durch geschickte Anordnung solcher Stäbe in einem Metamaterial weiterverfolgt (Bild).

Alles basiert auf der klassischen Biegefeder

Das Prinzip sei das einer klassischen Biegefeder, bei der die maximale Verformung nur dadurch begrenzt wird, dass das Material bei Überbeanspruchung versagt. Das Besondere ist, dass bei Biegefedern das innere Volumen relativ wenig belastet wird. Verdreht (tordiert) man solche Stäbe, steht zwar die gesamte Oberfläche unter hoher mechanischer Spannung, aber das unbelastete Volumen im Inneren wird kleiner. Will man den Effekt voll nutzen, muss so stark verdreht werden, dass die Stäbe recht komplex, spiralartig verformt werden, heißt es weiter.

Stark verdrehte Stäbe aus einem Metamaterial, die sich spiralförmig verformen lasssen, sind sehr steif und können vergleichsweise viel elastische Energie aufnehmen – aber vor allem auch wieder abgeben!(Bild: IAM des KIT / A. Sefrin)
Stark verdrehte Stäbe aus einem Metamaterial, die sich spiralförmig verformen lasssen, sind sehr steif und können vergleichsweise viel elastische Energie aufnehmen – aber vor allem auch wieder abgeben!
(Bild: IAM des KIT / A. Sefrin)

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