Atmende Muskeln: Neue Energiequellen für künstliche Linearantriebe

Weltweit lassen Forscher die Muskeln spielen. Jedoch rein künstliche. Einen weiteren Fortschritt erzielten nun amerikanische Wissenschaftler. Sie entwickelten auf der Basis von Nanoröhrchen aus Kohlenstoff und Formgedächtnismetallen künstliche Muskeln, die direkt mit Methanol oder Wasserstoff statt mit Strom versorgt werden können. In wenigen Jahren sollen sie prothetische Gliedmaßen und Roboter in Bewegung setzen.

Künstlicher Muskel aus einem Formgedächtnismetall
Künstlicher Muskel aus einem Formgedächtnismetall

Dallas/Stuttgart - In einem einfachen Versuchsaufbau umströmen Schwaden von Luft und Methanol eine kleine Feder aus einer Titan-Nickel-Legierung. Wie von Geisterhand hebt sie ein 50-Gramm-Gewicht einige Millimeter in die Höhe. "Dieser Muskel ist 100-mal kräftiger als ein menschlicher Muskelstrang", sagt Ray Baughman, Leiter der texanischen Arbeitsgruppe. Der Grund für seine Aktivität liegt im verwendeten Formgedächtnismaterial, dessen kristalline Strukturen sich bei unterschiedlichen Temperaturen jeweils in einer anderen Form anordnen. Die Folge: Bei über 70 Grad zieht sich die Feder zusammen und abgekühlt nimmt ihre Länge wieder zu.

Baughman verzichtet erstmals vollständig auf eine externe Heizquelle. Möglich wird dies durch die Methanoldämpfe, die an der mit Platin beschichteten Metallfeder mit dem Sauerstoff der Luft reagieren und dabei Wärme erzeugen. Versiegen die Methanolschwaden, stoppt die Reaktion und die abkühlende Feder dehnt sich wieder auf die ursprüngliche Länge aus. Über diesen Weg wird die im Methanol gespeicherte chemische Energie über die Wärmeentwicklung in eine mechanische Bewegung umgewandelt.

In einem zweiten Ansatz griff er zu ganzen Bündeln aus millionstel Millimeter dünnen Röhrchen aus Kohlenstoff. Auch diese Nanoröhrchen-Fasern können als künstliche Muskeln dienen. Dazu müssen sie jedoch mit sich gegenseitig abstoßenden Ladungen besetzt werden. So unter Spannung gesetzt, schieben sich die einzelnen Röhrchen aneinander vorbei und verändern die Länge der Faser. Ohne Spannung, die in bisherigen Versuchen aus einer externen Stromquelle stammt, verkürzt sich die Faser wieder.

Das Forscherteam vereinte nun Muskelfaser und Spannungsquelle in einem einzigen Modul. Denn die hochfesten und leitfähigen Röhrchen können zugleich auch als Elektroden für eine filigrane Brennstoffzelle dienen. Umströmen nun Wasserstoff und Sauerstoff diese Röhrchen, entstehen elektrische Spannungen, die direkt die Röhrchenfaser zum Dehnen und Zusammenziehen verleiten. "Diese Versuche sind eine nette Demonstration, dass so etwas funktioniert", sagt Siegmar Roth vom Max Planck Institut fuer Festkörperforschung in Stuttgart. "Doch ob das jemals eine praktische Anwendung mit sich bringt, lässt sich heute noch nicht sagen." Auch Roth hat zusammen mit dem Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik schon künstliche Muskeln aus hauchdünnen Nanoröhrchenmatten entwickelt. Die Forschungsergebnisse fließen mittlerweile in die ausgegründete Firma Sineuropa Nanotech ein. Doch für ein käufliches Produkt sei die Entwicklung noch nicht weit genug.