Graphen formt die Nahluftwirtschaft neu

Eine Graphen-Aviation-Batterie, die bei minus 40 Grad Celsius stabil funktioniert, und ein Graphen-Verbundflügel, der 60 % widerstandsfähiger gegen Stöße ist als Kohlefaser – das mag Ihnen vielleicht schwer zu glauben sein, aber diese Ideen, die einst nur in wissenschaftlichen Publikationen existierten, verändern jetzt stumm die Regeln des Spiels in der gesamten Drohnenbranche.

Ich erinnere mich, als ich letztes Jahr einen erfahrenen Ingenieur aus der Drohnenbranche interviewte. Er sagte halb im Spaß: „Wir tanzen derzeit mit Fesseln an den Füßen.“ Er meinte damit die seit langem bestehenden Probleme der Flugdauer und der Materialbeschränkungen in der Drohnenbranche. Niemand hätte gedacht, dass die Fortschritte in der Graphentechnik diese „Fesseln“ in nur einem Jahr so viel leichter machen würden.

Wenn die Graphenherstellung in die „Ära der hohen Qualität“ eintritt

Wenn man die Zeit fünf Jahre zurückdrehen würde, hätte jeder, der über die industrielle Anwendung von Graphen sprach, möglicherweise das Label „überoptimistisch“ bekommen. Damals war die Herstellung von Graphen in großem Maßstab und hoher Qualität wirklich ein Albtraum für die gesamte Branche.

Die Lage hat sich 2025 gewendet – chinesische Wissenschaftler haben unerwartete Fortschritte bei der Herstellung von Graphen durch chemische Gasphasenabscheidung mit carboxylierten polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen als fester Kohlenstoffquelle erzielt. Interessanterweise hat dieser Durchbruch ursprünglich von einer scheinbar einfachen Entdeckung ausgegangen: Wenn die Carboxylfunktionalität CO2 durch eine Decarboxylierungsreaktion freisetzt, kann dies die Boudouard-Reaktion auslösen, wodurch die Defektdichte von Graphen erheblich reduziert wird.

Dies mag technisch klingen, aber einfach ausgedrückt bedeutet dies, dass wir endlich in der Lage sind, perfekteres Graphen zu niedrigeren Kosten herzustellen. Was sind die direkten Vorteile der reduzierten Defektdichte? Die Beweglichkeit der Ladungsträger in Graphen steigt auf 5000 cm²V⁻¹s⁻¹ – diese Zahl mag für die meisten Menschen abstrakt sein, aber in der Elektronikbranche ist dies fast eine Revolution.

Zur gleichen Zeit bringt die Zusammenarbeit des Teams von Akademiker Liu Zhongfan mit der Tsinghua-Universität ein klassisches Problem in der Materialwissenschaft in Erinnerung: Wie kann man die Wärmeleitfähigkeit eines Materials erhöhen, während man seine Leichtigkeit beibehält?

Das von ihnen entwickelte „Mengxi-Aluminiumoxid-Pulver“ gibt eine überraschende Antwort – indem sie einen „Phononen-Hochgeschwindigkeitskanal“ schaffen, hat Graphen das traditionelle Dilemma zwischen hoher Wärmeleitfähigkeit und Leichtigkeit erfolgreich gelöst.

Natürlich muss ich die Leser darauf hinweisen, dass diese technologischen Fortschritte nicht von einem Tag auf den anderen entstanden sind. Sie basieren auf unzähligen fehlgeschlagenen Experimenten in den letzten zehn Jahren und sind das Ergebnis der langjährigen Anstrengungen von Materialwissenschaftlern.

Graphen-Batterien beseitigen die Flugdauerbeschränkung von Drohnen

„Die Energiedichte herkömmlicher Batterien beträgt etwa 250 Wh/kg, was weniger als ein Vierzigstel von Flugbenzin ist.“ So sagte Yan Shaojiu, der Direktor des Graphen-Neuartige-Energiematerial-Zentrums des Luftfahrt-Werkstoff-Instituts. Diese Zahl zeigt das gemeinsame Problem von elektrischen Fluggeräten – die mangelnde Flugdauer.

Das Auftauchen von Graphen-Aviation-Batterien ändert diese Situation. Flugbatterien, die mit neuen Materialtechnologien wie Graphen hergestellt werden, können die Energiedichte im Vergleich zu herkömmlichen Batterien um mehr als 50 % erhöhen. Dies bedeutet, dass Graphen-Aviation-Batterien bei gleichem Volumen oder Gewicht mehr elektrische Energie speichern und abgeben können.

Die Tieftemperatureigenschaften sind ein weiterer Durchbruchpunkt von Graphen-Batterien. Die von dem Luftfahrt-Werkstoff-Institut entwickelte Graphen-Ultra-Tieftemperatur-Lithiumbatterietechnologie kann sicherstellen, dass elektrische Geräte bei minus 40 Grad Celsius normal funktionieren, was die strengen Anforderungen für den Hochflug von Niederflughubschraubern erfüllen kann.

Dies ist von großer Bedeutung für die Drohneneinsätze in kalten Regionen. Branchenexperten haben es bildlich beschrieben: Graphen wird zum „magischen Stein“ von Flugbatterien. Dank seiner guten elektrischen und thermischen Leitfähigkeit sowie seiner großen spezifischen Oberfläche bildet Graphen in der Batterie ein effizientes dreidimensionales elektrisches Leitungsnetzwerk, das die Leistungsfähigkeit und die Zyklenlebensdauer der Batterie erheblich verbessert.

Die Prospero-Drohne, die auf der Europäischen Verbundwerkstoffmesse in Deutschland 2025 vorgestellt wurde, hat das enorme Potenzial von Graphen in strukturellen Materialien gezeigt. Der Graphenflügel dieser Drohne ist nicht einfach ein Ersatz für das Material, sondern es wurde das gesamte Materialsytem grundlegend neu gestaltet.

Die Testergebnisse zeigen, dass der Graphenflügel 60 % widerstandsfähiger gegen Stöße ist als der Kohlefaserflügel. Hinter dieser Zahl verbirgt sich die einzigartige Fähigkeit von Graphen als Nanozusatzstoff, die mechanische Festigkeit von duroplastischen und thermoplastischen Kunststoffen zu erhöhen und gleichzeitig das Materialgewicht zu reduzieren.

Billy Langs, der Ingenieur-Innovationsmanager der University of Central Lancashire, sagte: „Durch die Verwendung von Graphen können Drohnenflügel sowohl hohe Festigkeit als auch geringes Gewicht aufweisen.“

Das endgültige Ziel der Forscher besteht auch darin, Flug- und Raumfahrtgeräte mit Graphen vor Blitzeinschlägen zu schützen. Dieser Ansatz zeigt das Anwendungspotenzial von Graphen in multifunktionalen Verbundwerkstoffen – es verstärkt nicht nur die Struktur, sondern verleiht auch dem Material neue funktionelle Eigenschaften.

Außerdem wird das Problem der Wärmeverwaltung im elektronischen System von Drohnen mit der ständigen Erweiterung ihrer Funktionen immer deutlicher. Graphen zeigt sein einzigartiges Potenzial in diesem Bereich dank seiner hervorragenden thermischen Eigenschaften.

Die Forschungsergebnisse des Teams von Akademiker Liu Zhongfan sind besonders bemerkenswert. Das von ihnen entwickelte Wärmeübergangsmaterial auf der Basis von Mengxi-Aluminiumoxid-Pulver hat eine Wärmeleitfähigkeit von 6,44 W·m⁻¹·K⁻¹, was deutlich besser ist als herkömmliche Wärmeübergangsmaterialien auf Aluminiumoxidbasis.

Bei einem 50-W-LED-Test kann die Oberflächentemperatur des Chips um 17,7 Grad Celsius gesenkt werden. Für professionelle Drohnen mit integrierten Hochleistungs-Kamera- und Prozessoreinheiten bedeutet eine effektive Wärmeverwaltung eine stabilere Arbeitsleistung und eine längere Lebensdauer. Wärmeverwaltungsmaterialien aus Graphen machen es möglich, dass Drohnen sich während langer Arbeitszeiten „kühl“ halten.

Graphen-Drohnen erweitern die Grenzen der Niederflugekonomie

Die Verbesserung der Leistung spiegelt sich schließlich in der Erweiterung der Anwendungsbereiche wider. Graphen-Drohnen eröffnen Bereiche, die bisher schwer zugänglich waren. In kalten Regionen sind die Ultra-Tieftemperatureigenschaften von Graphen-Batterien ideal für Einsätze in kalten Gebieten und Notfallrettungen.

Bei Langstrecken-Inspektionsaufgaben ermöglicht die hohe Energiedichte von Graphen-Batterien, dass Drohnen größere Gebiete abdecken können. Die Flugdauer der Drohne für die Wartung von ZhengTai Wind- und Solaranlagen hat inzwischen 180 Minuten überschritten, und die Flugreichweite beträgt 120 Kilometer.

Die Niederflugekonomie, als Repräsentant der neuen Produktivkraft, ist zu einer wichtigen Richtung für die Förderung neuer Entwicklungspotenziale geworden. Im Jahr 2024 haben viele Regionen konkrete Unterstützungsrichtlinien und Handlungspläne für die Niederflugekonomie herausgebracht, und viele davon erwähnen die Entwicklung und Anwendung von Hochleistungs-Akkus.

Graphen-Drohnen werden zu einem wichtigen Treiber der Niederflugekonomie. Einige Branchenexperten erwarten, dass der Markt der Niederflugekonomie durch die Anwendung von neuen Materialien wie Graphen bis 2030 ein Volumen von über einer Billion Yuan erreichen könnte. Graphen-Batterien könnten dann zur Hauptantriebsquelle von eVTOLs und Drohnen werden.

Nachdem ich mehrere Drohnenhersteller besucht und mit Branchenexperten intensiv gesprochen habe, muss ich ehrlich sagen: Obwohl die Aussichten vielversprechend sind, stehen die Anwendungen von Graphen in der Drohnenbranche immer noch vor einer Reihe von Herausforderungen, die nicht ignoriert werden können.

Zuerst mal die technische Realität. Die derzeit auf dem Markt propagierte Energiedichte von Flugbatterien ist immer noch weit von den 400 - 500 Wh/kg entfernt, die für die praktische Anwendung erforderlich sind. Warum ist diese Zahl so wichtig? Nur wenn die Energiedichte die Schwelle von 400 Wh/kg überschreitet, können kleine Verkehrsflugzeuge tatsächlich kommerziell betrieben werden – das ist ungefähr das Doppelte der Leistung herkömmlicher Elektromobilitätsbatterien.

Von der industriellen Perspektive aus gesehen, könnte das Problem noch komplexer sein. Obwohl die Herstellungskosten von Graphenmaterialien sinken, ist die Qualitätskonsistenz immer noch ein Schlüsselfaktor, der seine Massenanwendung einschränkt. Bei meinen Recherchen habe ich festgestellt, dass es immer noch Unterschiede in den Eigenschaften von Graphenmaterialien aus verschiedenen Chargen gibt, was für Fluganwendungen, die eine hohe Zuverlässigkeit erfordern, nicht akzeptabel ist.

Wo liegt also der Weg in die Zukunft? Meiner Meinung nach könnte es in drei Richtungen gehen:

In Bezug auf die multifunktionale Integration werden wir vielleicht bald Verbundwerkstoffe sehen, die Struktur, Leitfähigkeit, Wärmeisolierung und andere Funktionen integrieren – das klingt wie Science-Fiction, aber es ist tatsächlich ein Bereich, an dem einige Labore arbeiten.

Was die Intelligenzrichtung angeht, habe ich kürzlich in einer Patentanmeldung gelesen, dass ein Team an einer intelligenten Drohnenstruktur mit Selbstwahrnehmungs- und Selbstdiagnosefähigkeiten arbeitet. Dies bedeutet, dass zukünftige Drohnen möglicherweise in der Lage sein werden, Schäden an sich selbst zu „spüren“ und ihre Flugstrategie selbständig anzupassen.

Und die Greening-Richtung könnte die am leichtesten übersehene, aber dennoch wichtigste Richtung sein. Mit der Erhöhung der Umweltschutzanforderungen wird die Umweltauswirkung des Graphenherstellungsprozesses ein unausweichliches Thema werden.

Hierbei erinnerte ich mich an das, was Direktor Yan Shaojiu am Ende des Interviews sagte: „Was wir jetzt tun, ist, den Grundstein für die Niederflugekonomie in zehn Jahren zu legen.“ Tatsächlich ist die Kombination von Graphen und Drohnen nicht nur eine technologische Revolution, sondern auch der Beginn einer völlig neuen Branchenökologie. Dieser Prozess wird nicht reibungslos verlaufen, aber jeder technologische Durchbruch macht diese Vision deutlicher.

Wenn man in die Zukunft blickt, hat die Graphentechnik schließlich nach zehn Jahren ihren Versprechens geliebt, von der anfänglichen Konzept-Hype zur heutigen praktischen Anwendung. Mit der zunehmenden Integration von Graphenmaterialien und Drohnentechnologie werden die Grenzen der Niederflugekonomie ständig erweitert. Von der Batterie bis zum Rumpf, von der Antriebsquelle bis zur Struktur, Graphen formt das technologische System von Drohnen neu und legt den Grundstein für eine völlig neue Niederflugekonomie-Ökologie.

Dieser Artikel stammt aus dem WeChat-Account „Sice Think Tank“ und wurde von 36Kr mit Genehmigung veröffentlicht.