Kleine Motoren aus Gummi

Lebens- und Umweltbedingungen der Menschen zu verbessern, ist ein wichtiges Anliegen auch naturwissenschaftlicher Forschung.

Um naturgetreue und gleichmäßige Bewegungen für Roboter, orthopädische Hilfsmittel, Unterhaltungsmechatronik und industrielle Steuerungselemente zu erreichen, wurde in den letzten Jahren nach speziellen elektro-aktiven Werkstoffen gesucht, die elektrische Energie direkt in mechanische Dehnung umwandeln können.

An einem aktuellen Projekt auf diesem Gebiet sind Physiker der Universität Potsdam federführend, unter der Gesamtprojektleitung von Prof. Dr. Reimund Gerhard, im Rahmen des Forschungsnetzwerks „pearls o Potsdam Research Network“ beteiligt.

Obwohl die Wirkungsprinzipien dieser Materialien völlig anders sind, werden Vorrichtungen mit solchen Werkstoffen oftmals laienhaft als „künstliche Muskeln“ und von Wissenschaftlern als „Aktoren“ bezeichnet. Dielektrische Elastomer-Aktoren (DEA) werden seit Ende der 1990er-Jahren erforscht. Dabei handelt es sich um gummi-elastische Materialsysteme, wie Kautschuk, Latex oder Silikon, die sich unter angelegter Spannung bis zu 300 Prozent dehnen können und ein günstiges Verhältnis zwischen Leistung und Gewicht aufweisen.

Bisher konnte jedoch keine wirtschaftliche Anwendung dieses Prinzips realisiert werden. Um bei der Umsetzung von wissenschaftlichen Forschungsergebnissen erfolgreich zu sein, schließen sich oftmals Universitäten, außeruniversitäre Forschungseinrichtungen und Unternehmen zusammen. PowerAct ist solch ein aktuelles Verbundvorhaben, das sich mit der Verbesserung der Leistungsmerkmale von DEA beschäftigt und an dem Physiker der Universität Potsdam mitarbeiten.

In diesem Projekt wollen die Wissenschaftler DEA-relevante Materialien entwickeln und untersuchen, um die wirtschaftliche Nutzung von DEA zu beschleunigen. Deshalb werden die Materialien von Grund auf neu konzipiert und synthetisiert. Sie werden beispielsweise mit funktionellen Gruppen ausgerüstet, die für neue elektrische, dielektrische und mechanische Eigenschaften sowie für eine erhöhte Anzahl der Schaltzyklen und Vergrößerung der Lebensdauer sorgen.

Weiter wollen die Wissenschaftler die Eignung der neuen Materialien für den Einsatz in miniaturisierten, kostengünstigen und zuverlässigen DEA zur Ausrichtung optischer „Mono-Mode“-Komponenten nachweisen. Diese und ähnliche Anwendungen stellen Anforderungen, die von den neuen Materialien bei einer elektrischen Spannung unter 200 Volt erfüllt werden können. Ein zuverlässiger Einsatz dieser neuen Materialien in miniaturisierten DEA bedarf neuer Herstellungsverfahren. Hierzu gehören Verfahren zum Vorstrecken der DEA, Aufbringen von flexiblen Elektroden, Stapeln und Verbinden mit elektrischen Anschlüssen.

Bei dem Projekt PowerAct (Neue dielektrische Elastomere für aktorische Anwendungen) kooperiert die Universität Potsdam mit dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung in Potsdam und dem Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration in Berlin. Das Bundesforschungsministerium fördert das Vorhaben an der Universität Potsdam für zwei Jahre mit 450.000 Euro im Rahmen des Programms „Werkstoffinnovationen für Industrie und Gesellschaft – WING“, das Gesamtprojekt mit 1.4 Millionen Euro.