Garnartige Aktoren Künstliche Muskeln aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen

Zehn Milligramm leichte Ameisen können nur das 30- bis 50-fache ihres Eigengewichts tragen. Garnaktoren auf der Basis von Carbon-Nanotubes schaffen das 17.700-fache ihres Eigengewichts.
Zehn Milligramm leichte Ameisen können nur das 30- bis 50-fache ihres Eigengewichts tragen. Garnaktoren auf der Basis von Carbon-Nanotubes schaffen das 17.700-fache ihres Eigengewichts.

Paraffingefüllte Kohlenstoff-Nanoröhrchen in garnartigen Aktoren haben eine 85-fach höhere Zugkraft als ein gleichgroßer natürlicher Muskel und beschleunigen Propeller auf 11.500 Umdrehungen pro Minute. Das ist eines der Themen auf der Kongressmesse ACTUATOR, die im Juni 2014 in Bremen stattfindet.

Kohlenstoff-Nanoröhrchen (Carbon Nanotubes, CNT) sind bis zu 10.000 Mal dünner als Menschenhaare und werden zu kraftvollen Aktoren, wenn ihre Wachsfüllung erhitzt wird. Dann dehnt sich das eingeschlossene Wachs aus und bewirkt, dass sich das verdrillte Garn aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen linear verkürzt oder blitzschnell verdreht (Bild 1). Auf dieser Grundlage gelang es Forschern der Universität von Wollongong (Australien), der Universität von British Columbia (Kanada) und dem NanoTech Institute an der Universität von Texas elektrolyt-unabhängige künstliche Muskeln herzustellen, die einen Propeller in nur 1,2 s auf 590 Umdrehungen pro Minute beschleunigen. Der Propeller wiegt 16,5 Mal so viel, wie der Garnaktor selbst.

Diese elektrolytfrei arbeitenden künstlichen Muskeln ermöglichen schnelle und kraftvolle Arbeitstakte – je nach Ausprägung Dreh- oder Zugbewegungen. Über eine Million reversible Zyklen werden erreicht und bis zu 11.500 Umdrehungen pro Minute erzielt. An den linear wirkenden Zugaktoren wurde eine Kontraktion von 3 Prozent der Aktorlänge bei bis zu 1.200 Zyklen pro Minute gemessen. Die Rotation erfolgt 20-mal schneller als bei anderen künstlichen Muskeln und die Leistungsdichte von 27,9 kW/kg führt bei der Muskelkontraktion zu einer 85-mal höheren Kraft als natürliche Muskeln vergleichbarer Größe aufbringen.

Die Neuentwicklung erfordert – anders als andere künstliche Muskeln – keinen Elektrolyten und keine Konterelektrode. Die doppelt verdrillten Nanoröhren umschließen die Wachsfüllung sowohl im festen als auch im flüssigen Aggregatzustand und sorgen obendrein für die mechanische Festigkeit zur Beibehaltung der spiralförmigen Geometrie – als Voraussetzung für die aktorische Betätigung, die prinzipiell auch ohne Wachsfüllung in dem Temperaturbereich zwischen -50 °C und +2500 °C möglich ist.

Das Wachs in den Kohlenstoff-Nanoröhrchen der Hybridgarne wird elektrisch, chemisch oder mithilfe von Lichtblitzen aufgeheizt. Die Ausdehnung der Wachsfüllung erzeugt dann schnelle und kraftvolle Dreh- oder Zugbewegungen. In Versuchen konnten die an zwei Enden eingespannten Nanotube-Garne das 17.700-Fache ihres eigenen Gewichts heben.

Reaktionsschnelle durch winzige Füllmenge

Wenngleich ein thermischer Prozess die Bewegung bewirkt und die Rückstellung durch die passive Abkühlung des Paraffins erfolgt, sind die Aktoren nicht träge. Dies liegt an der winzigen Füllmenge des Wachses in den ultrafeinen Nanoröhrchen. Die sehr schnelle, hoch reversible Torsionsbetätigung hat bereits einen »Dauerlauf« von 2 Millionen Zyklen absolviert. Das dabei verwendete 6,9 cm lange Garn hat einen Durchmesser von 10 μm. Bei der Erhitzung schmilzt das Paraffin und dehnt die CNT in ihrer Breite aus. Dadurch zieht sich die aus den Kohlenstoff-Nanoröhrchen hergestellte Spirale zusammen. Für diesen Reaktionsablauf braucht die Nanoröhre nur den 25 ms.

Noch hemmen hohe Kosten für die CNTs deren intensive Anwendung, doch mit sinkenden Vormaterialkosten steigen die Chancen, aus dem Kohlenstoff-Nanoröhren-Garn künstliche Muskeln für Weltraumroboter oder unterschiedliche Betätiger in der Luft- und Raumfahrt, in der Handhabungs-, Elektro-, Medizin- und Feinwerktechnik herzustellen. So zum Beispiel auch Aktoren für die feingliedrigen Hände humanoider Roboter. Selbst biokompatible künstliche Muskeln für die Human-Implantation stehen bereits im Fokus der Forscher, wenngleich noch nicht in naher Zukunft.

Doch wer diese Technologie künftig nutzen will muss frühzeitig den Dialog mit den weltweit führenden Entwicklern dieser Technologie aufnehmen. Kennenlernen kann er diese auf der Kongressmesse ACTUATOR 2014, die vom 23. bis 25. Juni 2014 in der Messe Bremen stattfindet.