Die Straße ist mit Kopfstein gepflastert, das Radeln macht nicht wirklich Spaß. Wenigstens hat der Drahtesel einen Sattel, der mit Silikon gefüllt ist. Der dämpft das Gerüttel und Geschüttel und gleicht einen Teil der lästigen Vibrationen aus. In den Augen eines Fachmanns ist der Stoff im Sattel ein »Elastomer« – ein Material, das nachgiebig und verformbar ist wie ein Gummiband. Ingenieure des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF in Darmstadt arbeiten nun an einer neuen Generation: Sie entwickeln Bauteile aus Elastomeren, die aktiv auf unerwünschte Schwingungen reagieren und sie dadurch noch wirkungsvoller dämpfen als bislang. Später einmal könnten diese neuartigen Aktoren sogar zur Energiegewinnung taugen. 

Elastomere kommen in der Technik seit Jahrzehnten zum Einsatz, etwa als Schwingungsdämpfer im Maschinenbau oder in Lagerungen für Automotoren. Bislang wirken sie bei Schwingungen und Stößen rein passiv. Effektiver wäre es, die Elastomere würden aktiv auf Vibrationen reagieren und gegensteuern. Ähnlich wie der Tennisspieler bei einem Stoppball seinen Schläger zurückzieht, um die Kugel zu verlangsamen, würde ein aktives Elastomer der Vibration gezielt Energie entziehen – indem es exakt im Gegentakt schwingt. Theoretisch ließe sich damit eine Vibration vollständig eliminieren.

Bei Wechselspannung vibrieren die Elastomere

Materialien, die dazu taugen, gibt es bereits. »Sie heißen elektroaktive Elastomere«, erläutert LBF-Wissenschaftler William Kaal. »Das sind elastische Stoffe, die ihre Form ändern, wenn man sie einem elektrischen Feld aussetzt.« Der Clou: Legt man eine Wechselspannung an, beginnt das Material zu vibrieren. Steuert zudem eine intelligente Elektronik das Elastomer so an, dass es genau im Gegentakt vibriert, kann es die unerwünschten Schwingungen einer Maschine oder eines Motors weitgehend auslöschen.

Um zu zeigen, dass das Prinzip funktioniert, haben die Darmstädter Forscher einen Demonstrator entwickelt. Er ist kleiner als eine Zigarettenschachtel und setzt sich – wie ein Sandwich – aus 40 dünnen Elastomer-Elektroden-Schichten zusammen. Die Experten sprechen von einem Stapelaktor. »Die Herausforderung war das Design der Elektroden, mit denen wir das elektrische Feld an die Elastomer-Schichten anlegen«, erläutert Kaals Kollege Jan Hansmann. Für gewöhnlich bestehen Elektroden aus Metall. Metalle jedoch sind naturgemäß relativ starr, behindern also die Verformung des Elastomers. Die Fraunhofer-Experten lösten das Problem einfach und elegant: »Wir haben die Elektroden mit mikroskopisch kleinen Löchern versehen«, sagt Hansmann. »Wird das Elastomer durch eine elektrische Spannung verformt, kann es in diese Löcher ausweichen.«

Das Resultat ist ein Aktor, der sich auf Befehl um einige Zehntelmillimeter heben und senken kann – und zwar viele Male pro Sekunde. Um dessen Fähigkeiten zu demonstrieren, stellt William Kaal einen kleinen mechanischen Schwinger auf das Gerät. Wenn er dieses einschaltet, schlägt der Schwinger kräftig aus – der Aktor hat genau seine Resonanzfrequenz getroffen. Umgekehrt kann die Vorrichtung Schwingungen aktiv dämpfen: Wird der Schwinger von Hand angestoßen, kommt er schnell zur Ruhe, wenn der Aktor im Gegentakt vibriert.

Auch mit einer alternativen Technik lassen sich aktive Schwingungen dämpfen: Piezo-Wandler basieren auf speziellen Kristallen, die sich bei Anlegen einer Spannung ein wenig ausdehnen oder zusammenziehen. »Piezo-Wandler bestehen aus steifen Materialien und können deshalb relativ große Kräfte aufbringen«, sagt Kaal. »Dagegen haben Elastomere den Vorteil, dass sie größere Auslenkungen und Verformungen erzeugen.« Damit sind elektroaktive Elastomere mit dem menschlichen Muskel vergleichbar: gut verformbar aber – verglichen mit technischen Apparaturen – nicht besonders kraftvoll.

Eine mögliche Anwendung für ihren Stapelaktor sehen die LBF-Ingenieure im Fahrzeugbau. »Die Vibrationen des Motors können störend sein«, sagt William Kaal. »Sie werden über die Karosserie in den Innenraum geleitet, wo die Insassen sie zu spüren bekommen.« Zwar sind bereits heute Motoren sorgfältig gelagert, aber: »Aktive Elastomere könnten einen Beitrag zur weiteren Reduktion von Schwingungen im Auto leisten«, meint Kaal.

Wenn Vibrationen zu Strom werden

Die Funktion des Stapelaktors lässt sich aber auch umkehren: Statt Vibrationen zu erzeugen, kann das Gerät Schwingungen aus der Umgebung aufnehmen, um Energie zu erzeugen. Dass das Prinzip funktioniert, haben die Forscher schon bewiesen: Als sie einen elektromagnetischen Schwinger auf ihren Stapelaktor stellten, wandelte dieser die Vibrationen in Strom um. »Interessant ist das zum Beispiel für eine Überwachung an unzugänglichen Stellen, wo es Vibrationen gibt, aber keinen Stromanschluss«, meint Jan Hansmann – und nennt als Beispiel Temperatur- und Schwingungssensoren, die Brücken auf ihren Zustand hin überwachen. Würden diese mit den elektroaktiven Elastomeren ausgestattet, müsste man sie weder ans Stromnetz anschließen, noch einen Mitarbeiter an schwer zugängliche Stellen schicken, um die Batterien der Messfühler auszuwechseln.

Eine weitere Vision: Im Prinzip lässt sich mit der neuen Technik auch die Energie anzapfen, die in Meereswellen steckt. »Man kann eine Boje mit einem Verbindungsseil am Meeresboden befestigen«, beschreibt Kaal. »Das Seil wäre mit Elastomeren bestückt und würde jedes Mal, wenn es durch die Wellenbewegung gedehnt wird, Strom liefern.« Diese kleinen Wellenkraftwerke versorgten die Bojen dann kontinuierlich mit Energie.

Den Forschern schweben noch andere Anwendungsgebiete vor – etwa ein ›haptisches Display‹ für Smartphones: Knöpfe könnten aus der Oberfläche herausragen, um bei Berührung wieder zu versinken. Der Nutzer bekäme dadurch ein haptisches, durch seine Fingerspitzen vermitteltes Feedback dafür, ob er einen Knopf gedrückt hat oder nicht. Schließlich lassen sich die aktiven Elastomere auch als Lautsprecher nutzen: Wenn sie hochfrequent schwingen, geben sie Töne von sich. »Würde man den Dachhimmel eines Autos damit verkleiden, könnte man eine aktive Geräuschkompensation realisieren, die lästigen Lärm mindert«, sagt Hansmann.

Die Stapelaktor-Technologie ist mittlerweile weitgehend ausgereift: »Der Fertigungsprozess ließe sich gut automatisieren. Das ist wichtig für eine industrielle Massenproduktion«, meint Kaal. Allerdings muss sich noch in Dauertests zeigen, wie zuverlässig und langzeitbeständig die intelligenten Aktoren sind. Schließlich sollen sie harschen Umgebungen trotzen, wie sie beispielsweise im Motorraum eines Autos zu finden. Eines aber steht schon fest: Besonders kostspielig dürften die aktiven Elastomere kaum werden. »Die Ausgangsmaterialien sind Massenartikel«, sagt William Kaal. »Damit müsste es möglich sein, unsere intelligenten Aktoren in einigen Jahren preiswert herzustellen.«
Frank Grotelüschen