Plenarvorträge 2020

Vorträge am 10.1.2020

Prof. Dr.-Ing. Roland Kasper (Magdeburg)
Professor für Mechatronik an der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, am 10. März 2000 zum Ordentlichen Mitglied der Technikwissenschaftlichen Klasse gewählt.
Arbeitsgebiete: Modellierung, Simulation, Berechnung und Optimierung mechatronischer Systeme, Steuerung und Regelung mechatronischer Systeme, Echtzeitsysteme, Mechatronische Aktuatoren, Leichtbau-Elektromotoren.

Der Elektromotor ganz leicht

Dieser Beitrag stellt ein neues E-Motor Design vor, das höchste Leistungs- und Drehmomentdichte mit minimalem Gewicht und Kosten verbindet. Die Luftspalt-Wicklung des Motors reduziert den Eisen- und Kupferanteil und damit das Gewicht und die Kosten erheblich. Die nutenlose Konstruktion vermeidet ein Rastmoment und zeigt einen sehr ruhigen Lauf. Der einfache geometrische Aufbau auf Basis von zwei dünnwandigen Hohlzylindern unterstützt eine automatisierte Fertigung, was ebenfalls zu sehr geringen Kosten beiträgt. Eine flache, nutenlose Statorbauweise steht für eine homogene Temperaturverteilung und eine sehr effiziente Kühlung, die eine hohe kurzzeitige Überlastung ermöglicht. Dies ermöglicht Direktantriebsanwendungen wie Radnabenmotoren oder andere mobile Antriebe, bei denen ein sehr geringes Gewicht erforderlich ist. Radnabenantriebe profitieren von dem hohen Drehmoment und dem sehr geringen Gewicht dieser Motoren und eröffnen neue Fahrzeugkonzepte und Anwendungen im elektrischen und autonomen Fahren. Hochgeschwindigkeitsantriebe profitieren von geringen Verlusten und hohen Wirkungsgraden für sehr kompakte und leistungsstarke Antriebe bei sehr geringem Gewicht.

In einer ersten Anwendung wurde ein 40 kW Radnabenmotor für eine 15-Zoll-Felge entwickelt, der ein Nenndrehmoment von 300 Nm über den gesamten Drehzahlbereich bis 1350 U/min liefert. Das Gesamtgewicht dieses Prototyps beträgt nur 20 kg. Nach umfangreichen Tests mehrerer Prototypen auf einem Motorprüfstand wurden zwei Radnabenmotoren in die Hinterräder eines Smart 4-2 integriert und auch im Straßenbetrieb getestet. Parallel zu den Forschungsanstrengungen in der Entwicklung der Motorentechnologie wurden erste Industrialisierungsprojekte gestartet, um die Technologie in reale kommerzielle Anwendungen umzusetzen.

In einem zweiten Entwicklungsschritt wurde eine zusätzliche Wicklung in den Stator integriert, die das Drehmoment und die Leistung des Motors nahezu verdoppelt. Dieser Schritt konnte ohne signifikante Gewichtszunahme durchgeführt werden, da beide Wicklungen weder geometrisch noch durch ihre Magnetfelder kollidieren. Andererseits teilen sie sich das bereits vorhandene Dauermagnetfeld und tragen beide gleichermaßen zum Drehmoment bei. Um Zeit und Geld zu sparen, wurde in einem ersten Schritt ein vorhandener Radnabenmotor der Generation 1 zum Prototyp der Generation 2 umgebaut. Auch unter diesen nicht optimalen Bedingungen liefert dieser Prototyp ein Nenndrehmoment von 450 Nm und eine Nennleistung von 60 kW bei exakt gleicher Baugröße und nahezu gleichem Gewicht. Der Funktionsnachweis des Prinzips wurde erfolgreich auf einem Motorenprüfstand erbracht. Echte Generation 2 Prototypen mit einem Nenndrehmoment von 600 Nm in einer 16-Zoll-Felge wurden konstruiert und aufgebaut. Der Vortrag schließt mit einigen Betrachtungen zum Technologietransfer und zur Industrialisierung der Motortechnologie.

 

Dr. rer. nat. Tilmann Leisegang (Freiberg)
Gruppenleiter Energiematerialien an der Technischen Universität Bergakademie Freiberg, Institut für Experimentelle Physik, Leading Scientist an der Samara State Technical University, am 11.12.2015 zum Mitglied des Jungen Forums der Mathematisch-naturwissenschaftlichen Klasse gewählt.
Arbeitsgebiete: Strukturphysik, Kristallographie, elektrochemische Energiespeicherung, Festkörperelektrolyte, intermetallische Verbindungen; Anwendung von kristallchemischen Methoden, maschinellem Lernen und Big-Data-Konzepten in der Materialforschung.

Zur Speicherung elektrischer Energie

Angesichts der besorgniserregenden weltweiten klimatischen Entwicklungen werden immer konkretere Maßnahmen diskutiert und eingeleitet, wie beispielsweise die globale Energiewende, die auf unser Leben in zunehmendem Maße Einfluss nehmen. Allerdings, so schreibt Mary Wollstonecraft Shelley in ihrem 1818 erschienenen Roman „Frankenstein“: „Nichts ist für den menschlichen Geist so schmerzhaft wie eine große und plötzliche Veränderung“. Die Wissenschaften sind jetzt mehr denn je gefragt, die globalen Herausforderungen hinsichtlich einer nachhaltigen Entwicklung anzunehmen und verantwortungsbewusst – der Roman darf hier als Erinnerung dienen – systemische Lösungsstrategien zu entwickeln.

Optimismus angesichts der Herausforderungen der globalen Energiewende kann hier die Erkenntnis von Hermann von Helmholtz stiften: „Energie geht nicht verloren, sondern kann nur von einer Form in eine andere Form umgewandelt werden.“ Diese fasste er 1847 in seinem Energieerhaltungssatz zusammen. Dementsprechend stellen elektrochemische Energiespeicher, die sogenannten Batterien, einen wichtigen Beitrag für den Ausbau der erneuerbaren Energien und die wachsende Zahl von Elektrofahrzeugen und mobilen Endgeräten dar.

Derzeit dominieren vor allem Blei- und Lithium-Ionen-Batterien den Markt, wobei letztere rasant an Bedeutung zunehmen. Dies führt zu erheblichen zukünftigen Versorgungsrisiken für die notwendigen Rohstoffe – u. a. Graphit, Kobalt, Phosphor und Lithium –, da die erforderlichen Mengen die heutigen am Markt verfügbaren Mengen um bis zu einem Faktor 10 übersteigen. Daher erscheint die Suche nach neuen Materialsystemen zielführend, um so die Batterietechnologien weiter zu diversifizieren und damit die Rohstoffversorgungsrisiken sowie sozialen und ökologischen Auswirkungen ihrer Beschaffung zu minimieren. Dementsprechend müssen die neuartigen Materialsysteme leicht verfügbare bzw. effizient herstellbare Rohstoffe vereinen sowie gleichzeitig höchste Energiedichten der Batterien ermöglichen und eine hohe Sicherheit während ihres Betriebs gewährleisten. Die Materialforschung muss diese Anforderungen an neue Materialien und Materialkonzepte zu überführen versuchen. Hier erscheinen die sogenannten Post-Lithium-Technologien, wie u. a. die Aluminium-Ionen-Batterie, als vielversprechend.

Der Vortrag wird mit der Darstellung ausgewählter historischer Begebenheiten beginnen, die zur Begründung der Elektrochemie und der elektrochemischen Energiespeicherung führten und schließlich in der Erfindung der bisher am besten kommerzialisiertesten Batterie, der Lithium-Ionen-Batterie, mündeten, für die es 2019 den Nobelpreis für Chemie gab. Es werden dann Bedarfe und Randbedingungen für neuartige elektrochemische Energiespeicher diskutiert und daraus die Aluminium-Ionen Batterie als eine mögliche Post-Lithium-Technologie vorgeschlagen. Abschließend werden eigene Arbeiten zur Identifizierung entsprechender Materialien vorgestellt, die neben kristallchemischen Methoden auch „Big Data“- und „Machine Learning“-Ansätze nutzen.

Denkströme

Denkströme IconDas Open Access (Online-)Journal der Sächsischen Akademie der Wissenschaften:

www.denkstroeme.de

Diffusion Fundamentals

Diffusion Fundamentals IconInterdisziplinäres Online Journal für Diffusionstheorie in Kooperation mit der Universität Leipzig:
diffusion.uni-leipzig.de

Termine
Internationale Konferenz: Insular-kontinentale Wechselbeziehungen in der volkssprachigen Überlieferung des Frühmittelalters und ihre lexikographische Erschließung 16.02.2020 - 18.02.2020 — Sächsische Akademie der Wissenschaften zu Leipzig, Karl-Tauchnitz-Str. 1, 04107 Leipzig
Leipzig liest: „Make Law Not War“ – Der jüdische Jurist Benjamin B. Ferencz 12.03.2020 20:00 - 21:30 — Sächsische Akademie der Wissenschaften zu Leipzig, Karl-Tauchnitz-Str. 1, 04107 Leipzig