Funktionale Werkstoffsysteme: Mobil bleiben und gleichzeitig den CO₂-Ausstoß verringern

Neue Materialien und Verfahren für Leichtbau, Energie und Umweltschutz

Schwerpunkt: Funktionale Materialien. Foto: GettyImages/Vetta/Sava Alexandru

Werkstoffe bilden die Grundlage praktisch jeder Technologie – angefangen mit Produkten von der simplen Kaffeetasse aus Keramik bis hin zu hochkomplexen Hightech-Geräten wie Computern, Autos oder Flugzeugen. Um künftige Technologien weiter oder neu zu entwickeln, braucht es immer raffiniertere und bessere Materialien. Das Helmholtz-Zentrum Geesthacht arbeitet an solchen innovativen Werkstoffen: Seine Wissenschaftler forschen an einer neuen Generation von Leichtbaumaterialien für den Automobil- und Flugverkehr, an optimierten Membranen für die Trennung von Flüssigkeiten oder Gasen sowie an hocheffizienten Konzepten zur Erzeugung und Speicherung von Wasserstoff, einem vielversprechenden Energieträger der Zukunft.

Neue Materialien können zu Ressourcenschonung und Klimaschutz beitragen. Denn je leichter ein Auto oder ein Flugzeug ist, desto weniger Treibstoff verbraucht es – eine der wichtigen Maßnahmen, um das auf dem Pariser Klimagipfel beschlossene Zwei-Grad-Ziel erreichen zu können.

Leicht, stabil und kostengünstig

Die Karosserien von Pkws bestehen derzeit vorwiegend aus Stahl, die Rümpfe und Flügel der Passagierjets aus Aluminium. Die HZG-Fachleute forschen daran, einen Teil dieser Materialien durch einen deutlich leichteren metallischen Werkstff zu ersetzen – Magnesium. Um das Leichtmetall zur Einsatzreife zu bringen, entwickeln und testen sie neue Legierungen und optimierte Herstellungsverfahren. Wichtig dabei sind auch neue Fügetechniken, mit denen sich die verschiedensten Werkstoffe zu größeren Bauteilen verbinden lassen, etwa zu einer Karosserie. Das Ziel: ultraleichte Strukturmaterialien, die zugleich fest, langlebig und wirtschaftlich sind.

Raffinierte Funktionen

Daneben stehen Werkstoffe im Fokus, die bestimmte, zum Teil intelligente der Situation angepasste Funktionen ausführen können: Membranen aus Polymeren, die als Molekülsiebe fungieren und zum Beispiel verkeimtes Trinkwasser reinigen oder CO₂ aus Biogas herausfiltern. Raffinierte Nanomaterialien, die mechanische Spannungen in einem Flugzeugrumpf überwachen oder sich bei Rissbildung selbst heilen. Oder Tanks für klimaneutrale Autos, die regenerativ erzeugten Wasserstoff sicher und effizient speichern.

Von der Theorie über das Experiment bis zur Innovation

Wenn aus Grundlagenforschungen Innovationen werden und aus Ideen verwertbare Patente, dann ist das hohe Ziel der Forscher des Helmholtz-Zentrums Geesthacht erreicht: ihre wissenschaftlichen Erkenntnisse für praxisnahe Lösungen nutzbar zu machen. Deshalb arbeiten sie regelmäßig mit Unternehmen aus der Wirtschaft zusammen, zum Beispiel mit Flugzeugherstellern. So ging nach zehn Jahren wissenschaftlicher Forschung das Patent einer Geesthachter Titanlegierung hoch hinaus, die aufgrund des ultraleichten Gewichts in Flugzeugtriebwerken eingesetzt wird.

Die Wissenschaftler simulieren zunächst theoretisch neue Verfahren und Materialien.

Im nächsten Schritt geht es um Modellexperimente und Testreihen. Hier verfügen die Helmholtz-Experten über moderne Geräte zum Anfertigen von Proben für ihre Experimente bis hin zu Fertigungsanlagen, auf denen innovative Materialien und Bauteile als Prototypen hergestellt werden können – auch schon mal im industrienahen Maßstab eins zu eins. Zum Beispiel großflächige Bleche aus leichtem Magnesium, die später im Autobau eingesetzt werden können, um Gewicht zu sparen.

Um ein möglichst tiefes Verständnis zu gewinnen, untersuchen die Wissenschaftler die neuen Materialien und Bauteile mit den derzeit sensitivsten Analysemethoden – unter anderem mit der Strahlung von PETRA III, einer der stärksten Röntgenquellen der Welt, sowie den Neutronen des FRM II, einem der leistungsfähigsten Forschungsreaktoren Europas. Es handelt sich dabei um einmalige Verfahren, die von den Geesthachter Forschern auch externen Nutzern aus der Wissenschaft und der Wirtschaft zur Verfügung gestellt werden.

Entscheidende Prozesse bei der Herstellung der neuen Materialien und ihren Veränderungen während ihrer Anwendung lassen sich so bis ins mikroskopische Detail verfolgen, zum Teil bis hinunter zur Größenordnung von Atomen und Molekülen. Diese genaue Charakterisierung der neuen Materialien dient den Wissenschaftlern und der Industrie, weil Vorgänge sichtbar werden, die sonst verborgen bleiben.