Ein Labor im NanoTech Institute der University of Texas. Der Chemiker Mikhail Kozlov zeigt auf einen simplen Versuchsaufbau: An einem Stativ hängt eine gut zehn Zentimeter lange Spiralfeder, die von einem Gewicht unten dran gedehnt wird.
"”Here we just have a very simple demonstration of this generic concept: a shape memory alloy spring coated with platinum particles...”"
Die Feder besteht aus einer Metalllegierung mit so genanntem Formgedächtnis. Wird sie auf über 70 Grad Celsius erhitzt, zieht sie sich zusammen, um ihre ursprüngliche Form wieder zu erlangen. Doch statt den künstlichen Muskel wie sonst üblich durch einen elektrischen Strom zu erwärmen und so in Bewegung zu setzen, haben sich die Nanotechnologen in Richmond bei Dallas etwas Neues einfallen lassen. Um es zu demonstrieren, gibt eine Doktorandin ein paar Spritzer Methanol in eine Petrischale, die unter Feder und Gewicht steht. Wie von Geisterhand getrieben, zieht sich die dünne Feder zusammen und zieht das 500 Gramm-Gewicht zehn Zentimeter nach oben.
"Methanol evaporates a little bit and methanol vapors can reach spring coated with platinum particles. Spring heats up and contracts.”"
Möglich wird das durch Nanopartikel aus Platin, mit denen die Forscher die Feder beschichtet haben. Diese Platinteilchen wirken als Katalysator, der die aufsteigenden Alkoholdämpfe chemisch mit dem Sauerstoff aus der Luft reagieren lässt. Dabei entsteht Wärme, die die Formgedächtnislegierung über die kritische Temperatur von 70 Grad erhitzt. Sobald kein Methanoldampf mehr nachströmt kühlt sich die Feder wieder ab und das Gewicht sinkt zurück in seine Ausgangslage.
Der Prozess ist beliebig oft reversibel und wandelt chemisch gespeicherte Energie und Sauerstoff in mechanische Energie und Kohlendioxid um - genau wie ein echter Muskel, nur dass die Kräfte viel größer sind, erklärt Professor Ray Baughman, der Leiter des NanoTech-Instituts:
"”Unsere methanolgetriebenen künstlichen Muskeln sind 100 Mal stärker als ein menschlicher Muskelstrang mit gleichem Durchmesser."
Das macht die kräftigen Energiewandler spannend für den Einsatz in Gelenkprothesen oder autonom agierenden Robotern. Das US-Militär etwa tüftelt an Kampfmaschinen, die die eigenen Soldaten aus der Schusslinie halten sollen. Erste Prototypen gibt es bereits, doch ohne Steckdose zum Aufladen der Batterien hält keiner lange durch. Alternative Antriebe mit künstlichen Muskeln, die nach einer Tankfüllung Methanol wieder topfit sind, kämen da gerade recht - schließlich ist in Methanol 30 Mal mehr Energie gespeichert als im besten Akku. Baughman:
"”Jetzt müssen wir Wege finden, den Treibstoff gezielt zu jenen künstlichen Muskeln eines Roboters oder einer Prothese zu transportieren, die gerade aktiviert werden sollen. Bei Menschen besorgt das der Blutkreislauf. Ein simples Analogon wäre ein Formgedächtnis-Draht in einem Strohhalm. Wenn man Methanoldampf und Sauerstoff durch das Röhrchen bläst, würde der künstliche Muskel kontrahieren. Aber der Teufel steckt im Detail und es gibt noch viel zu tun, bevor das funktioniert.""
Parallel dazu verfolgen die texanischen Forscher einen zweiten Ansatz, bei dem sie Kohlenstoff-Nanoröhrchen zu ultrastabilen Fasern spinnen. Die Länge dieser Fasern lässt sich durch Anlegen einer Spannung schnell und gezielt verändern. Der Clou dabei: Die leitfähigen Nanoröhrchen erzeugen sich den dazu nötigen Strom gleich selbst, indem sie zugleich als Membran für eine Miniatur-Brennstoffzelle fungieren, die Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser verbindet. Der dabei entstehende Strom dehnt die Fasern. Für praktische Anwendungen taugt dieses zweite Konzept allerdings noch nicht. Im Gegensatz zu den Metallfedern fehlt es den Kohlefasermuskeln noch an Ausdauer. Wenn sie sich öfter ausdehnen, lässt das Kontraktionsvermögen nach.
"”Here we just have a very simple demonstration of this generic concept: a shape memory alloy spring coated with platinum particles...”"
Die Feder besteht aus einer Metalllegierung mit so genanntem Formgedächtnis. Wird sie auf über 70 Grad Celsius erhitzt, zieht sie sich zusammen, um ihre ursprüngliche Form wieder zu erlangen. Doch statt den künstlichen Muskel wie sonst üblich durch einen elektrischen Strom zu erwärmen und so in Bewegung zu setzen, haben sich die Nanotechnologen in Richmond bei Dallas etwas Neues einfallen lassen. Um es zu demonstrieren, gibt eine Doktorandin ein paar Spritzer Methanol in eine Petrischale, die unter Feder und Gewicht steht. Wie von Geisterhand getrieben, zieht sich die dünne Feder zusammen und zieht das 500 Gramm-Gewicht zehn Zentimeter nach oben.
"Methanol evaporates a little bit and methanol vapors can reach spring coated with platinum particles. Spring heats up and contracts.”"
Möglich wird das durch Nanopartikel aus Platin, mit denen die Forscher die Feder beschichtet haben. Diese Platinteilchen wirken als Katalysator, der die aufsteigenden Alkoholdämpfe chemisch mit dem Sauerstoff aus der Luft reagieren lässt. Dabei entsteht Wärme, die die Formgedächtnislegierung über die kritische Temperatur von 70 Grad erhitzt. Sobald kein Methanoldampf mehr nachströmt kühlt sich die Feder wieder ab und das Gewicht sinkt zurück in seine Ausgangslage.
Der Prozess ist beliebig oft reversibel und wandelt chemisch gespeicherte Energie und Sauerstoff in mechanische Energie und Kohlendioxid um - genau wie ein echter Muskel, nur dass die Kräfte viel größer sind, erklärt Professor Ray Baughman, der Leiter des NanoTech-Instituts:
"”Unsere methanolgetriebenen künstlichen Muskeln sind 100 Mal stärker als ein menschlicher Muskelstrang mit gleichem Durchmesser."
Das macht die kräftigen Energiewandler spannend für den Einsatz in Gelenkprothesen oder autonom agierenden Robotern. Das US-Militär etwa tüftelt an Kampfmaschinen, die die eigenen Soldaten aus der Schusslinie halten sollen. Erste Prototypen gibt es bereits, doch ohne Steckdose zum Aufladen der Batterien hält keiner lange durch. Alternative Antriebe mit künstlichen Muskeln, die nach einer Tankfüllung Methanol wieder topfit sind, kämen da gerade recht - schließlich ist in Methanol 30 Mal mehr Energie gespeichert als im besten Akku. Baughman:
"”Jetzt müssen wir Wege finden, den Treibstoff gezielt zu jenen künstlichen Muskeln eines Roboters oder einer Prothese zu transportieren, die gerade aktiviert werden sollen. Bei Menschen besorgt das der Blutkreislauf. Ein simples Analogon wäre ein Formgedächtnis-Draht in einem Strohhalm. Wenn man Methanoldampf und Sauerstoff durch das Röhrchen bläst, würde der künstliche Muskel kontrahieren. Aber der Teufel steckt im Detail und es gibt noch viel zu tun, bevor das funktioniert.""
Parallel dazu verfolgen die texanischen Forscher einen zweiten Ansatz, bei dem sie Kohlenstoff-Nanoröhrchen zu ultrastabilen Fasern spinnen. Die Länge dieser Fasern lässt sich durch Anlegen einer Spannung schnell und gezielt verändern. Der Clou dabei: Die leitfähigen Nanoröhrchen erzeugen sich den dazu nötigen Strom gleich selbst, indem sie zugleich als Membran für eine Miniatur-Brennstoffzelle fungieren, die Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser verbindet. Der dabei entstehende Strom dehnt die Fasern. Für praktische Anwendungen taugt dieses zweite Konzept allerdings noch nicht. Im Gegensatz zu den Metallfedern fehlt es den Kohlefasermuskeln noch an Ausdauer. Wenn sie sich öfter ausdehnen, lässt das Kontraktionsvermögen nach.