Der schnellste Motor der Welt

Kleine Spiegel in Projektoren oder winzige Turbinen erreichen bereits heute hohe Drehzahlen – bis zu 100 000 Rotationen pro Sekunde. Noch sehr viel schneller drehte sich nun eine kleine Stahlkugel, die Wissenschaftler in einem Magnetfeld schweben ließen. Mit 667 000 Umdrehungen pro Sekunde erreichten sie einen Weltrekord für die Drehzahl elektrisch betriebener Motoren. Wie die Forscher in der Fachzeitschrift „Science Advances“ berichten, wollen sie mit ihren Versuchen die physikalischen Grenzen für rotierende Module in elektrischen Antriebssystemen ausloten.

Um den neuen Rekordwert zu erreichen, entwickelten Marcel Schuck von der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich und seine Kollegen ein möglichst reibungsfreies Rotorsystem. Dazu ließen sie eine kleine Stahlkugel mit einem halben Millimeter Durchmesser in einem Magnetfeld schweben. Diesen Aufbau setzte das Team in eine Vakuumkammer, um ein störendes Aufheizen durch Luftreibung zu vermeiden. Auch der Antrieb der Stahlkugel erfolgte kontaktlos über ein weiteres, rotierendes Magnetfeld, das die Forscher mit vier rund um die Stahlkugel angeordneten Spulen erzeugten. „Mit dem Versuchsaufbau können die derzeit in Anwendungen verwendeten Drehzahlen um das Hundertfache gesteigert werden“, sagt Schuck.

Für die Messung der enorm schnellen Drehbewegung lenkten die Wissenschaftler einen fokussierten Lichtstrahl auf die polierte Stahlkugel, die sie mit einem kleinen schwarzen Fleck markiert hatten. Die Intensität des reflektierten Lichts fluktuierte auf diese Weise abhängig von der Umdrehungszahl, was sich messen ließ. Bei 40 Millionen Rotationen pro Minute – oder entsprechend 667 000 Umdrehungen pro Sekunde – erreichte die Außenseite der Stahlkugel eine Geschwindigkeit von 1047 Metern pro Sekunde. Dabei wirkte eine Zentrifugalbeschleunigung, die 440 Millionen Mal größer war als die Erdbeschleunigung und schließlich zum Zerreißen der Stahlkugel führte.

„Dieses Experiment eröffnet neue Möglichkeiten bei der Erforschung des Materialverhaltens unter extremer zentrifugaler Belastung“, erläutert Schuck. So sei die erreichbare Drehzahl ein wichtiger Faktor bei der Miniaturisierung von elektrischen Maschinen, deren Leistungsdichte sich mit der Rotationsgeschwindigkeit steigern ließe. Mögliche Anwendungen liegen beispielsweise in der Entwicklung von noch schneller drehenden Mikroturbinen.

Zerreißende Stahlkugel