Königsbrunner Campus: Werkstoffe mit Vorbildern in der Natur

Dr. Judith Moosburger-Will bei ihrem Vortrag über Faserverbundwerkstoffe.
 
Dr. Judith Moosburger-Will mit Blumen und Ursula Off-Melcher mit den beiden Musterplatten aus Metall und CFK.

Faserverbundstoffe, die Werkstoffe der Zukunft, waren das Thema des Vortrags von Dr. Judith Moosburger-Will in der Reihe „Königsbrunner Campus“.

Carbonfaserverstärkte Kunststoffe, abgekürzt CFK, sind ein ungewöhnliches Thema für einen öffentlichen Vortrag vor Laienpublikum. Die Leiterin des Königsbrunner Kulturbüros hatte den Mut, eine CFK-Expertin einzuladen zur Veranstaltungsreihe „Königsbrunner Campus“, und der Erfolg gab Ursula Off-Melcher recht. Der Vortragssaal im Pavillon 955 war gut gefüllt und Dr. Judith Moosburger-Will gab einen Einblick in ihr Forschungsgebiet, der für alle verständlich, informativ und kurzweilig war.
Moosburger-Will arbeitet an der Universität Augsburg im Institut für Materials Resource Management, was man etwa mit Institut für den wirtschaftlichen Umgang mit Werkstoffen übersetzen könnte. In ihrem Vortrag stellte sie Herstellung und Eigenschaften von Carbonfasern vor und verglich sie mit denen von Glas- und Keramikfasern. Alle drei sind Hochleistungsmaterialien für den Leichtbau. Sie erreichen bei geringem Gewicht und Materialverbrauch eine sehr hohe Stabilität.
Die Fasermaterialien werden von Fachleuten für eine Schlüsseltechnologie der Zukunft gehalten, so Moosburger-Will. In Flugzeugbau und Raumfahrtindustrie haben sie längst Einzug gehalten, im Autobau sind sie im Kommen. Die Fahrgastzelle des Hybrid-Modells „i3“ von BMW besteht bereits komplett aus CFK. Mit den Firmen „Premium Aerotec“ und „SGL-Carbon“, dem „Deutschen Zentrum für Luft und Raumfahrt“ und dem „Fraunhofer-Institut für Faserverbundtechnologie“ sind sowohl die Herstellung und Verarbeitung von CFK als auch die Forschung an den modernen Werkstoffen in der Region Augsburg stark vertreten.

Leicht und stabil

Zu Beginn stellte Moosburger-Will in der Natur vorkommende Faserverbund-Materialien vor. Menschliche Knochen bestehen aus festen sogenannten Knochenbälkchen, die für Stabilität sorgen, und einem weichen Material, das die Bälkchen umschließt und an Ort und Stelle fixiert. Die Bälkchen verlaufen in Richtung der höchsten auftretenden Belastungen. Das Material dazwischen, „Matrix“ genannt, ist leicht und hält so das Gesamtgewicht der Knochen so gering wie möglich. Ganz ähnlich die Struktur von Blättern und Stielen von Grünpflanzen. Jeder kennt die Blattadern, die auf der Rückseite von Laubblättern gut zu sehen sind. Auch Holz besteht aus stabilen Fasern aus Cellulose, eingebettet in weiches Lignin.
Nach demselben Prinzip sind CFK aufgebaut. Für Stabilität sorgen die Carbonfasern, sie sind umgeben von einer weichen Matrix aus Kunststoff. Moosburger-Will hatte zwei kleine Platten gleicher Größe und Dicke und von gleicher Stabilität mitgebracht, eine aus Metall, die andere aus CFK, die sie herumgehen ließ. So konnten alle Zuhörer den enormen Gewichtsunterschied überprüfen. Werkstücke aus Metall sind in alle Richtungen gleich stark belastbar. Bei CFK hingegen muss darauf geachtet werden, dass die Carbonfasern in der Richtung verlaufen, in der das Material im Endprodukt belastet wird.

Geringer Material-, hoher Energieverbrauch

Moosburger-Will schilderte die Herstellung der unvorstellbar dünnen Carbonfasern. Ein menschliches Haar ist 100 Mikrometer dick, eine Carbonfaser 7 Mikrometer. Ein Mikrometer ist ein Millionstel Meter. Noch dünnere Fasern wären herstellbar, davon wird jedoch abgesehen, da Fasern dünner als 3 Mikrometer lungengängig sind und daher ein Gesundheitsrisiko darstellen würden ähnlich wie Asbestfasern. Carbonfasern sind nicht dehnbar und halten sehr hohen Zugkräften stand. Von der Seite wirkenden Kräften geben sie relativ leicht nach. Die Fasern sind außen so glatt und in ihrer Struktur so einheitlich, wie es in der Natur nirgends vorkommt. Sie bestehen in erster Linie aus Kohlenstoff. Der Name „Carbon“ kommt vom lateinischen Namen des Kohlenstoffs: Carboneum. Der Ausgangsstoff der Carbonfaserherstellung ist Polyacrylnitril, eine Kunstfaser, die aus der Textilherstellung bekannt ist. Der Herstellungsprozess erfordert sehr hohe Temperaturen, die Kohlenstoffausbeute liegt bei 50 Prozent.
Auch die Herstellung von Glasfasern erfordert hohe Temperaturen, denn Glas entsteht durch das Schmelzen von Siliziumdioxid, zu Deutsch Quarzsand, dem zweithäufigsten Rohmaterial der Erde. Es ist leicht zu gewinnen, daher sind Glasfasern weitaus billiger als Carbonfasern. Glasfasern sind ähnlich zugfest wie Carbonfasern und etwas schwerer. Sie werden für Rotorblätter von Windkraftanlagen und im Innenbereich von Flug- und Fahrzeugen verwendet und natürlich in Glasfaserkabeln für die Telekommunikation aufgrund ihrer hohen Leitfähigkeit für Lichtwellen.
Carbonfasern behalten ihre Eigenschaften bei bis zu 450, Glasfasern bei bis zu 350 Grad Celsius. Bei noch höherer Hitzebeanspruchung werden Keramikfasern verwendet, denn deren Hitzebeständigkeit reicht bis 1300 Grad Celsius. Ihre Herstellung ist extrem teuer, aber für manche Anwendungen kommt nichts anderes in Frage, etwa für die thermische Abschirmung von Raumfahrzeugen beim Eintritt in die Erdatmosphäre, aber auch bei Bremsscheiben oder Bauteilen im Abgasstrang von Fahrzeugen.

Entsorgung ungeklärt

Während der lebhaften Fragerunde nach dem Vortrag stellte Stadtrat Alwin Jung die Frage nach der Entsorgung und traf damit den wunden Punkt der CFK-Technologie. Die Frage ist tatsächlich immer noch ungeklärt. Bauteile aus CFK dürfen weder in einer Müllverbrennungsanlage verbrannt noch auf einer Mülldeponie entsorgt werden. Im Gegensatz zu Glasfasern können Carbonfasern nicht vollständig verbrannt werden. Aufgrund ihrer elektrischen Leitfähigkeit sind sie zudem gefährlich für die elektrischen Rauchgasfilter der Verbrennungsanlagen. Momentan werden sie gelagert, bis eine Lösung gefunden ist. Die Hoffnung ruht auf dem Recycling, wobei zunächst die Carbonfasern vom umgebenden Kunststoff getrennt werden müssen, was bisher noch nicht vollständig gelungen ist. Danach müssten Wiederverwendungsmöglichkeiten für die nun kurz geschredderten Carbonfasern gefunden werden.
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