SIEMENS

Heutige Werkstoffe sind schon sehr leistungsfähig. Will man weiter optimieren, werden die Einflussparameter bald so vielfältig, dass man ihre schiere Zahl und ihre vielschichtigen Zusammenhänge nicht mehr rational und im Experiment erfassen kann." So beschreibt Dr. Wolfgang Rossner die Herausforderung eines Materialforschers. Rossner leitet in der zentralen Siemens-Forschung, der Corporate Technology (CT), die Entwicklung keramischer Werkstoffe – deren Anwendungen reichen von neuen Stoffen für Leuchtdioden über Detektoren in der Medizintechnik bis zur Beschichtung von Gasturbinen.
Wo also bei der Optimierung der Materialien ansetzen? Bei ihrer Struktur, der chemischen Zusammensetzung oder dem Herstellungsprozess? Sofort tauchen weitere Fragen auf. Um zum Beispiel einem porösen Stoff eine andere Struktur zu geben, kann man Größe, Form oder Verteilung der Poren ändern. Aber welche Maßnahme bringt am meisten? Es ist, als stünde der Forscher an einem Schaltpult voller Regler, deren jeweilige Wirkung er nur grob kennt. Dazu kommt, dass alle Rädchen ineinander greifen. Ändert er einen Parameter, wird sich das an anderer Stelle auswirken. Jede einzelne Variante im Labor herzustellen und zu testen, kostet aber zu viel Zeit und Geld.
Vor allem Computermodelle helfen den Materialwissenschaftlern, Schneisen durch das Dickicht der Möglichkeiten zu schlagen (siehe Simulationen, Pictures of the Future, Frühjahr 2006). Am virtuellen Werkstoff spielen sie durch, wie sich einzelne Parameter auf sein Verhalten auswirken. So identifizieren sie Zusammenhänge zwischen Materialeigenschaften, bestimmten Mikrostrukturen und der chemischen Zusammensetzung, die es möglich machen, ein gewünschtes Werkstoffverhalten einzustellen. Dadurch lernen die Forscher schon vor Beginn der Laborversuche, welche Veränderungen Erfolg versprechen. Darüber hinaus sind virtuelle Materialien perfekt definiert. Im Labor kämpft der Experimentator mit unbekannten Nebeneffekten, die eine gesuchte Wirkung leicht verdecken können. Modelle dagegen arbeiten mit idealisierten Materialien unter definierten Bedingungen. Liefert eine gezielte Materialveränderung in der Simulation nicht die gewünschte Wirkung, kann man sie ziemlich sicher ausschließen. So loten die Forscher am Modell auch die physikalischen Grenzen eines Werkstoffs aus.
Die physikalischen Grenzen eines Experiments dagegen überwinden sie virtuell: Am Computer simulieren sie Belastungen – z.B. extrem hohe Temperaturen, die sie im Labor nicht nachstellen können. Anhand der Modelle lässt sich dann einschätzen, welche Mechanismen die Lebensdauer eines Materials und damit eines Bauteils bestimmen. "Wie sich der Werkstoff in der Anwendung verhält", sagt Rossner, "das will man nicht erst nach der Produktion wissen, sondern schon bei seiner Entwicklung berücksichtigen."
Das Thema ist wichtig, nicht nur für Siemens: Neue oder verbesserte Werkstoffe bringen Wettbewerbsvorteile und sind der Motor für Innovationen. Das deutsche Bundesministerium für Bildung und Forschung fördert deshalb die virtuelle Werkstoffentwicklung mit 20 Mio. €. Zwei der insgesamt 14 Verbundprojekte werden bei Siemens CT koordiniert.

Analyse auf atomarer Ebene. Die Forscher wollen für jede Anwendung genau verstehen, wie die Struktur und Zusammensetzung des Werkstoffs sein Verhalten bestimmen. Erst dann wissen sie, wie sie einem Material gezielt eine gewünschte Eigenschaft verleihen können oder wo sie ansetzen müssen, um Bauteilversagen auszuschalten. Ihre Arbeit führt sie tief hinein in den Werkstoff. Vor etwa vier Jahren hat Rossners Mitarbeiter Dr. Stefan Lampenscherf mit der so genannten Multi-Skalen-Modellierung begonnen. Dabei werden verschiedene Simulationsmethoden kombiniert, um einen Werkstoff durchgängig von seinem atomaren Aufbau bis hin zu seinem Verhalten im Bauteil zu beschreiben. Die Modelle erfassen dabei die unterschiedlichsten Größenordnungen. So sind Mikrostrukturen im Material – z.B. Körnigkeit, Poren oder Risse – typischerweise Bruchteile von Millimetern groß. Sie werden mit der Finite Elemente Methode (FEM) gut beschrieben, einem Verfahren, das ein Stück Werkstoff am Computer in kleinste Bausteine unterteilt, bis hinunter zu Größen von einzelnen Materialkörnern, die typisch einige zehntel bis hundertstel Millimeter groß sind.
Um andererseits die Auswirkung der chemischen Zusammensetzung eines Materials zu untersuchen, brauchen die Forscher Methoden, um die Wechselwirkungen auf einer noch kleineren Skala, nämlich zwischen Atomen, zu beschreiben. Am genauesten geht das mit der Dichtefunktionaltheorie (DFT), welche die quantenmechanischen Wechselwirkungen zwischen Atomen beschreibt. In diesem Fall setzt aber die verfügbare Rechenzeit Grenzen. Für angewandte Forschung, wie Siemens sie betreibt, sind Rechenzeiten bis zu einigen Tagen noch akzeptabel. Damit lassen sich mit den heute verfügbaren DTF-Methoden und Rechenkapazitäten aber nur etwa 1000 Atome erfassen. Will man jedoch eine Struktur von nur einem tausendstel Millimeter Größe auf atomarer Ebene simulieren, müsste man die Wechselwirkungen von Milliarden Atomen berechnen. Das würde alle Ressourcenrahmen sprengen. Einen möglichen Ausweg bieten weniger detaillierte molekulardynamische Modelle. Sie beschreiben vereinfacht die Bewegung der Atome in einem Kraftfeld, dem interatomaren Potenzial. Die quantenmechanischen Vorgänge im Material stecken dann in der Definition dieses Potenzials.
Die Kunst der Materialwissenschaftler in Rossners Team ist es also, für jede Fragestellung das richtige Modell auszuwählen. Das tun sie, indem sie die Werkstoffe eingehend im Labor vermessen und ihre Ergebnisse permanent mit den Modellrechnungen abgleichen. Für Rossner liegt darin die Grundlage für erfolgreiche Materialentwicklung: "Das enge Zusammenspiel zwischen Experiment und Modell zeichnet unsere Gruppe besonders aus."
Eine große Herausforderung ist es außerdem, die Modelle miteinander zu verzahnen – also zum Beispiel aus dem atomaren Modell heraus Eigenschaften für die Bausteine des FEM-Modells abzuleiten. Unter anderem deshalb pflegt die Arbeitsgruppe engen Kontakt zu Hochschulen und Forschungsinstituten in aller Welt – beispielsweise zu den Universitäten Cambridge und Oxford und dem Max-Planck-Institut für Eisenforschung in Düsseldorf. Vor allem dort sitzen die Experten für atomare Modelle. Sie können mit ihrem tiefen Verständnis für die Methodik und die quantenmechanischen Vorgänge im Werkstoff helfen, sinnvolle Materialmodelle von der atomaren bis zur makroskopischen Skala zu entwickeln. Rossner erwartet, dass die Modelle in Zukunft viel praxisnäher werden. Ähnlich wie FEM heute in vielen Entwicklungsabteilungen etabliert ist, werden auf lange Sicht atomare Modelle auch von Werkstoffexperten ohne detaillierte quantenmechanische Kenntnisse bedient werden können.

Effizienz durch Simulation. Wie ihre Arbeit in der Praxis aussieht, zeigen Rossner und sein Mitarbeiter Dr. Philip Howell an Wärmedämmschichten für Gasturbinenschaufeln. Die einige zehntel Millimeter dünnen keramischen Schichten schützen die Metallschaufeln vor Temperaturen von über 1.300 °C. Die Schicht hält einem Temperaturunterschied von einigen hundert Grad zwischen Ober- und Unterseite stand.
Ramesh Subramanian, Ingenieur in der Siemens-Division Fossil Power Generation, rechnet vor, was eine bessere Keramik bringt: "Eine Wärmedämmschicht, die höheren Temperaturen standhält und eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit hat, reduziert den Aufwand für die Kühlung der Turbine. Bei einer Gasturbine der F‑Klasse führt eine Temperaturerhöhung um 100 °C zu einer Steigerung der Energieeffizienz von etwa 1 %. Das klingt wenig, aber der Betreiber kann so pro Jahr etwa 1 bis 2 Mio. € Brennstoffkosten sparen."
Auf der Suche nach einer Keramik mit besserer Wärmeisolierung betrachten die Wissenschaftler zunächst den Einfluss ihrer Mikrostruktur. Mit einem Computertomographen (CT) vermessen sie ein Stück Keramik und übertragen die Mikrostruktur möglichst genau in ein FEM-Modell. Diese virtuelle Probe dient dann dem Vergleich mit ihrem realen Pendant: Passt die simulierte Wärmeleitfähigkeit zu den im Labor gemessenen Werten und bestätigt sich damit das verwendete Modell? Erst dann beginnen die Forscher, die Struktur des Werkstoffs und seine Materialzusammensetzung zu verändern. Hoch wärmeisolierende Keramik besteht heute vorwiegend aus Zirkonoxid. Die Forscher wollen zum Beispiel testen, ob sie durch Zugabe anderer Atome die Wärmeleitfähigkeit herabsetzen können.
Um die Auswirkung dieser Maßnahme abzuschätzen, arbeitet Philip Howell unter anderem mit Forschern am Fritz-Haber-Institut in Berlin an atomaren Modellen für solche Keramiken. Der Knackpunkt liegt in der Anpassung an die konkrete Fragestellung, erzählt er: "Das molekulardynamische Modell, mit dem wir die Wärmeleitfähigkeit beschreiben wollen, benötigt ein passendes interatomares Potenzial, hier für Zirkonoxid. Einen Grundlagenforscher interessieren aber meistens prinzipielle Fragen, zum Beispiel ob ein Modell in der Lage ist, eine gesuchte Eigenschaft – in unserem Fall die Wärmeleitfähigkeit – atomar zu beschreiben. Dafür reicht der Nachweis an einem Modellmaterial, für das ein Potenzial existiert. Wir in der Industrie hingegen müssen ein produktfähiges Bauteil entwickeln und brauchen belastbare Aussagen für einen ganz bestimmten Werkstoff. Deshalb müssen dann eigene Potenziale für spezifische Stoffe entwickelt werden". Derzeit prüft Howell, ob sein molekulardynamischer Ansatz geeignet ist, um brauchbare Trendaussagen für die Wärmeleiteigenschaften von Zirkonoxidkeramik zu erzeugen.

Physikalische Grenzen entdecken. In einem anderen Fall ist Howell bereits am Ziel: Ein Konkurrent von Osram hatte drastische Effizienzsteigerungen bei Glühlampen angekündigt. Recherchen förderten ein Patent zutage, das einen metallischen photonischen Kristall beschrieb, der im Vergleich zu Glühwendeln heutiger Lampen, die vor allem Wärmestrahlung abgeben, einen höheren Anteil an sichtbarer Strahlung aussenden sollte. Photonische Kristalle wirken wie sehr präzise Lichtfilter – sie emittieren oder absorbieren aufgrund ihrer Struktur nur Licht bestimmter Wellenlängen. Anstatt nun im Labor mit der komplizierten Herstellung eines solchen Kristalls zu beginnen, wandten sich die Osram-Entwickler an Siemens CT. Sie wollten prüfen, ob die im Patent beschriebene Struktur tatsächlich den angekündigten Effekt liefern würde.
Wolfgang Rossners Team versuchte zunächst, eine solche Struktur im Labor zu erzeugen. Schon die ersten Schritte erwiesen sich erwartungsgemäß als äußerst schwierig, aber der Wettbewerber hätte ja durchaus über einen geeigneten Herstellungsprozess verfügen können. Deshalb arbeitete Howell parallel mit Experten für die computertechnische Modellierung photonischer Kristalle zusammen. Sie ließen virtuelle perfekte Strukturen entstehen, wie sie im Labor bisher nicht erzeugt werden konnten. Nur weil auch die Simulationen das im Patent beschriebene Verhalten nicht zeigten, waren die Forscher überzeugt, dass die Ankündigung der revolutionären Lichtquelle nicht belastbar war. Und in der Tat: Sie wurde später zurückgezogen.
Dr. Klaus Orth, Entwicklungsleiter für thermische Strahler bei Osram Consumer Lighting, ist zufrieden: "Die Idee, metallische photonische Kristalle zu verwenden, ist nicht neu, aber wir waren uns eigentlich sicher, dass sie den Temperaturen von bis zu 2 700 °C über die gesamte Lampenlebensdauer nicht standhalten würden. Die Simulationen haben zudem gezeigt, dass die im Patent veröffentlichten Strukturen auch physikalisch nicht zum Erfolg führen. Nur bei positiven Simulationsergebnissen hätten wir mit den aufwändigen Laborarbeiten begonnen."