Ein internationales Forscherteam hat einen mechanischen Energiespeicher auf Basis von Metamaterialien entwickelt, der dank spiralförmig verdrehter Stäbe eine hohe Steifigkeit mit einer außergewöhnlicher elastischer Energiedichte kombiniert.
Ein internationales Forscherteam unter Leitung des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) hat eine neue Klasse mechanischer Metamaterialien entwickelt. Diese sollen große Mengen an elastischer Energie speichern und wieder freisetzen können, ohne dabei Schaden zu nehmen. Der Schlüssel liegt in einer speziellen Geometrie: stark verdrehten, spiralförmig verformten Stäben, die im Inneren des Materials gezielt angeordnet sind.
Die Idee basiert auf einem einfachen Prinzip der Mechanik. Klassische Federn speichern Energie durch Biegung. Dabei treten hohe Spannungen an den Außenflächen auf, die das Material schnell an seine Grenzen bringen. Die Forscher entdeckten jedoch, dass sich durch Torsion, also das kontrollierte Verdrehen eines Stabs, Energie effizienter speichern lässt, ohne dass das Material bricht oder sich dauerhaft verformt.
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Forscher entwickeln mechanische Energiespeicher
Diese Entdeckung überführten die Wissenschaftler in ein makroskopisch nutzbares Materialdesign: Chirale Metamaterialien, also Materialien mit spiegelbildlich aufgebauten Strukturen, die sich bei Druck spiralförmig verformen. In einfachen Experimenten bestätigten sie, dass diese Strukturen eine deutlich höhere Enthalpie – also speicherbare Energiedichte – aufweisen als bisher bekannte mechanische Speicherlösungen.
Je nach Ausführung lag die Energiedichte zwei- bis 160-mal höher als bei vergleichbaren Metamaterialien. Die neuen Materialien sind nicht nur extrem widerstandsfähig und effizient, sondern auch vielseitig einsetzbar.
Denkbar sind Anwendungen in Robotik, Stoßdämpfungssystemen, energieeffizienten Maschinen oder elastischen Gelenken. Besonders spannend ist das Potenzial für rein mechanische Energiespeicherlösungen, bei denen auf chemische oder elektrische Umwandlungsprozesse verzichtet werden kann.
Geometrie als Schlüssel zur Effizienz
Professor Peter Gumbsch, Leiter des Projekts und Experte für Werkstoffmechanik am KIT, betont die Bedeutung des Designs: Die Stärke dieser Metamaterialien liegt nicht in der Wahl eines bestimmten Werkstoffs, sondern in der geometrischen Anordnung der Einzelbauteile, die ihnen außergewöhnliche Eigenschaften verleiht.
Diese Forschung markiert einen wichtigen Schritt hin zu einer neuen Generation mechanischer Energiespeicher, die leicht, robust und effizient sind. Es zeigt einmal mehr, dass Metamaterialien elastische Energie nicht nur speichern, sondern dabei auch neue Maßstäbe setzen können.
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