Elektroautos: Spezielle Farbstoffe könnten unnötige Motorwechsel verhindern
Farbstoffe in Elektromotoren sollen künftig anzeigen, wenn Kabel-Isolierungen spröde werden und ein Austausch des Motors nötig ist. Wissenschaftler der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) haben zusammen mit ELANTAS, einem Geschäftsbereich des Spezialchemiekonzerns ALTANA, ein neues Verfahren entwickelt, mit dem die Farbstoffe direkt in die Isolierungen integriert werden können. Sie zeigen durch einen Farbwechsel an, wie stark sich die isolierende Harzschicht um die Kupferdrähte im Motor abgebaut hat. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift "Advanced Materials" veröffentlicht.
In modernen Verbrennermotoren ist es längst Standard: Detektoren erkennen, wann zum Beispiel ein Ölwechsel nötig ist und ersparen damit unnötige Überprüfungen. Auch Elektromotoren haben Verschleißerscheinungen. Im Inneren bestehen sie üblicherweise aus eng gewickelten Kupferdrähten - und diese sind wiederum mit einem isolierenden Harz überzogen. "Diese Isolierung verändert sich im Laufe der Zeit. Sie wird spröde, weil sie durch Wärme und chemische Prozesse abgebaut wird", erklärt Prof. Dr. Wolfgang Binder vom Institut für Chemie der MLU. Von außen ist jedoch nicht zu erkennen, ob die Isolierungen der Drähte im Inneren noch intakt sind oder ob ein Austausch des kompletten Motors notwendig ist.
Im Auftrag des ALTANA Geschäftsbereichs ELANTAS, der spezielle Harzsysteme für solche Isolierungen herstellt, suchten die Wissenschaftler der MLU nach einer Lösung für dieses Problem. "Bisher haben sich die Entwickler darauf konzentriert, wie viel Material unter bestimmten Bedingungen abgebaut wird", erklärt der Chemiker Alexander Funtan von der MLU. So wurden Empfehlungen gegeben, wie lange es dauert, bis ein Austausch nötig ist. Der tatsächliche Verschleiß ist aber abhängig von den Nutzungsbedingungen, besonders von der Temperatur. Funtan entwickelte deshalb eine Testapparatur, mit der er über mehrere Monate für vier verschiedene Harzsysteme analysieren konnte, welche Abbauprodukte bei verschiedenen Temperaturen entstehen.
Er fand heraus, dass die vier Harzsysteme unter den verschiedenen Temperaturbedingungen beständig einen bestimmten Alkohol freisetzen. "Wir haben dann im engen Austausch mit den Forschern und Entwicklern von ELANTAS nach einem Sensormolekül für diesen Alkohol gesucht", sagt er. Das heißt, ein Stoff, der einfach nachweisbar ist und seine Eigenschaften verändert, wenn der Alkohol daran bindet. Das Sensormolekül muss außerdem hohe Temperaturen sowie den üblichen Produktionsprozess aushalten. Außerdem darf es die elektrochemischen Eigenschaften der Isolierung nicht verändern. Die Wahl fiel auf einen bestimmten Farbstoff. Normalerweise leuchtet er unter UV-Licht rotorange, wenn der Alkohol an ihn bindet, verschiebt sich das Farbspektrum in ein helles Grün.
Die verschiedenen Farbspektren lassen sich dann mit speziellen Geräten analysieren, die direkt in den Motor eingebaut werden könnten. "So kann man erkennen, ob ein Austausch nötig ist, ohne den Motor aufzuschrauben", so Binder. So ließen sich hoffentlich unnötige Motorwechsel künftig vermeiden. Die neuen Isolierungen könnten in Elektromotoren von Fahrzeugen, aber auch von Arbeitsmaschinen und anderen Gerätschaften zum Einsatz kommen. "Diese Ergebnisse zeigen, was eine gelungene Kombination aus universitärer Grundlagenforschung und unternehmerischem Anwendungs-Know-how bewirken kann", so Dr. Simon Rost, Leiter Forschung & Entwicklung bei ELANTAS in Hamburg. "In Zukunft können wir unseren Kunden dadurch einen Mehrwert bieten und einen weiteren Beitrag zur nachhaltigen Entwicklung leisten."
Das neue Verfahren wurde von ELANTAS Anfang des Jahres zum Patent angemeldet. Die Forschung wurde durch den Spezialchemiekonzern ALTANA finanziell unterstützt sowie innerhalb des EU-Projekts BAT4EVER im Rahmen des "Horizon 2020"-Programms gefördert.
Originalpublikation:
Funtan, A. et al. Self-Diagnostic Polymers - Inline Detection of Thermal Degradation of Unsaturated Poly(ester imide)s. Advanced Materials (2021). doi: 10.1002/adma.202100068
https://doi.org/10.1002/adma.202100068
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