Elastische Energiespeicherung: Wie Metamaterialien Energie effizienter machen

Die Frage, wie wir Energie verlustfrei speichern können, gehört zu den größten Herausforderungen unserer Zeit. Batterien speichern Strom chemisch, Pumpspeicherkraftwerke nutzen die Schwerkraft – doch es gibt auch eine fast vergessene Methode: die elastische Energiespeicherung. Sie wandelt kinetische Energie in elastische Energie um, ähnlich wie eine Feder in einer Uhr.

Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es einem internationalen Forschungsteam gelungen, diese Technik mithilfe neuartiger Metamaterialien auf ein völlig neues Niveau zu heben.

Vom Prinzip der Feder zum Metamaterial

Klassische Blattfedern speichern Energie, indem sie gebogen werden. Doch ein Großteil des Materials bleibt dabei ungenutzt: Während die Oberflächen stark belastet werden, bleibt das Innere vergleichsweise „untätig“.

Die Lösung: Statt Biegen setzen die Forschenden auf Torsion, also die Verdrillung von Stäben. „So können wir ein viel größeres Volumen mechanisch belasten und Energie speichern“, erklärt Prof. Peter Gruhmsch, Werkstoffmechaniker am KIT.

Das Team entwickelte ein aus Rundstäben aufgebautes chirales Metamaterial, das sich deutlich effizienter verhält als klassische Strukturen.

200-fache Energiedichte möglich

Berechnungen und Experimente zeigen: Mit diesen Metamaterialien lässt sich die Energiedichte um Faktoren von bis zu 180–200 steigern – verglichen mit herkömmlichen Biegestrukturen.

Metamaterialien unterscheiden sich dabei nicht durch die Materialzusammensetzung, sondern durch ihre Struktur. Ob Polymer aus dem 3D-Drucker, Metall oder Keramik – entscheidend ist das Bauprinzip: Viele kleine Stäbe bilden ein stabiles Geflecht, das wie eine „Superfeder“ funktioniert.

Anwendungen von Medizin bis Robotik

Die Einsatzmöglichkeiten sind vielfältig:

• Medizintechnik: Implantierbare Energiespeicher für Medikamentenfreisetzung können so über lange Zeiträume Energie nahezu verlustfrei speichern und gezielt abgeben.

• Robotik: Roboterarme könnten dank elastischer Speicher Stöße abfangen und gleichzeitig präzise gesteuert werden.

• Mikrosysteme: Überall dort, wo auf kleinstem Raum Energie gebraucht wird, könnten Metamaterialien klassische Speicher ersetzen.

Ein weiterer Vorteil: Solange Temperaturen niedrig bleiben, treten kaum Energieverluste auf – ein entscheidender Vorteil gegenüber chemischen oder elektrischen Speichern.

Fazit

Die Forschung am KIT zeigt, wie elastische Energiespeicherung mit Metamaterialien völlig neue Dimensionen erreicht. Von der Medizintechnik bis zur Robotik könnten diese innovativen Strukturen dazu beitragen, Energie effizienter und nachhaltiger nutzbar zu machen – ganz ohne chemische Nebenprodukte, dafür mit der Kraft von Materialdesign.