Materialforschung – Adaptronik

Brillen, die sich selbst wieder in Form bringen, Fasern, die Risse eigenständig melden, Autodächer oder große Magnetresonanz-Tomographen, die Vibrationen aktiv gegensteuern – adaptronische Materialien machen's möglich.

Was Dr. Stefan Kautz zwischen den Fingern hält, sieht aus wie Blumendraht – ein dünner, leicht verbogener metallischer Faden. Doch dieser Draht besteht aus einem besonderen Material, was man schon beim ersten Anfassen merkt. Weich und warm fühlt er sich an, wie eine Mischung aus Angelschnur und Kupferdraht. Kautz hält den Faden über eine Feuerzeugflamme. In Sekundenschnelle klappt das verbogene Etwas zu einer wohlgeformten Büroklammer zusammen.

Kautz ist Spezialist für Form-Gedächtnis-Legierungen bei Siemens Corporate Technology (CT) in Erlangen – Experte für Werkstoffe, die sich eine vorgegebene Form merken können. Diese so genannten Memory-Metalle machten bereits vor zehn Jahren Furore. Damals kamen Brillengestelle auf den Markt, die in heißem Wasser ihre ursprüngliche Gestalt annahmen – falls man sie versehentlich verbogen hatte. Inzwischen sind die pfiffigen Substanzen zum vielversprechenden Werkstoff eines neuen Technologiegebiets avanciert: der Adaptronik – ein Kunstwort aus den Begriffen Adaptierung und Elektronik.

Aufgabe der Adaptroniker ist es, Werkstoffe oder Bauteile zu entwickeln, die so "intelligent" sind, dass sie sich von allein an die Umgebungsbedingungen anpassen. Im Idealfall sind in diesen Materialien Sensor, Regler und Aktor auf engstem Raum vereint. Sie sind, so sagen die Experten, multifunktional. Sie können Veränderungen im Umfeld – etwa bei der Temperatur – wahrnehmen und sofort darauf reagieren. Inzwischen existieren erste adaptronische Bauteile oder Prototypen. "Die Memory-Metalle sind Adaptronik par excellence", sagt Kautz. Werden sie erhitzt oder unter elektrische Spannung gesetzt, reagieren sie mit einer Form-veränderung. All das geschieht aufgrund einer einfachen, temperaturabhängigen Änderung der Atomgitterstruktur – ganz ohne komplexe Elektronik.

Memory-Metall in der Spülmaschine. Erst vor kurzem ging ein Memory-Metall-Aktor aus dem Labor von Kautz in Serie – ein Draht aus Nitinol, einer Nickel-Titan-Legierung, der sich in einem optischen Sensor der neuesten Geschirrspülmaschinen von Bosch und Siemens befindet. Der Optosensor misst während des Spülprogramms bis zu zehnmal den Kalkgehalt des Wassers und steuert die Zugabe von Regeneriersalz. Aufgabe des Memory-Drahts ist es, angeregt durch einen geringen Stromstoß, ein kleines Ventil zu öffnen, durch das das Spülwasser wieder aus dem Sensor hinausläuft. Dabei zieht sich der 10 cm lange Draht um 5 mm zusammen und entwickelt trotz seiner geringen Dicke von 0,25 mm erstaunliche Kräfte. "Da der Draht ganz von allein auf die Spannungsänderung reagiert, entfällt eine aufwändige Mess- und Steuerungstechnik", sagt Kautz. Aus diesem Grund ist der Optosensor mit seiner gesamten Mechanik nur etwa so groß wie eine Puderdose.

Siemens CT arbeitet daran, Sensor, Aktor und Regler in winzigen adaptronischen Bauteilen zu integrieren. "Das eröffnet völlig neue Anwendungsmöglichkeiten", sagt Holger Hanselka, Direktor des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit in Darmstadt und Professor an der Technischen Universität Darmstadt, einer der wenigen Hochschullehrer für das Fach Adaptronik. "Diese kompakten und leichten adaptiven Werkstoffe eignen sich hervorragend für Leichtbaumaterialien." Hanselka zufolge sind Leichtbauwerkstoffe im Automobil- oder Flugzeugbau die Materialien der Zukunft, haben aber einen großen Nachteil. Wegen ihrer geringen Masse vibrieren sie heftig, was unter anderem zu starkem Lärm führt. Adaptronische Werkstoffe könnten hier Abhilfe schaffen: Sie registrieren, wann das Material in Schwingung gerät. Das Sensorsignal wird vom Regler verarbeitet, der die Aktoren so steuert, dass sie die Schwingungen durch eine Gegenbewegung mildern.

Große Hoffnung setzen die Forscher dabei auf eine neue Generation von Piezomaterialien. Diese Werkstoffe sind wahre Wandlungskünstler, denn sie können elektrische und mechanische Energie ineinander umwandeln. Manche Feuerzeuge etwa gewinnen die Energie für den Zündfunken, indem ein Piezokristall unter mechanischen Druck gesetzt wird. Einem Verbundprojekt verschiedener Fraunhofer-Institute ist es gelungen, Piezomaterialien zu langen Fasern zu spinnen, die einen Durchmesser von nur 20 bis 30 µm haben. Bei diesem Verfahren werden die Fasern mit dem Sol-Gel-Verfahren gewonnen. Das Sol, eine Lösung von Molekülen, wird durch winzige Düsen gepresst und zugleich durch chemische Reaktionen oder Temperaturänderungen zum Gel verfestigt. So entstehen lange Fäden, die sich dann schonend zu kristallinen Piezofasern verdichten, ohne zu zerbrechen. "Die Fasern sind so fein, dass sie sich problemlos in leichte Verbundwerkstoffe einarbeiten lassen", sagt Dr. Dieter Sporn vom Fraunhofer-Institut für Silicat-Forschung in Würzburg, das an der Entwicklung des Verfahrens maßgeblich beteiligt war. "Bisher waren Piezobauteile hingegen meist so groß, dass sie die Struktur des Leichtbauwerkstoffs störten."

Sowohl die neuen Fasern als auch die seit längerem verwendeten Piezofolien können als Sensor und Aktor zugleich wirken. Wird das Piezomaterial etwa durch unerwünschte Schwingungen bewegt, erzeugt es ein elektrisches Signal, das von einem Regler interpretiert werden kann. Dieser sendet einen elektrischen Impuls an die Faser zurück, die sich daraufhin gezielt verbiegt. Die Faser erzeugt eine Art Gegenzug und kann die Schwingung so im Keim ersticken. Mit entsprechender Software verknüpft, dämpft ein solcher Regelkreis selbst große Bauteile.

Piezofasern in Autodächern. Was möglich ist, haben Wissenschaftler aus über 20 Industrieunternehmen und Forschungsinstituten im "Leitprojekt Adaptronik" untersucht. Aufgabe der vom Bundesforschungsministerium geförderten Initiative, die Ende 2002 abgeschlossen wurde, war die Entwicklung von Baugruppen, aus denen später adaptronische Produkte entstehen sollen. So wurde im Verbundprojekt ein Pkw-Dach aus Leichtbaumaterialien konstruiert, das mit Piezofolien und -fasern ausgerüstet Vibrationen effektiv dämpfen kann. Nach Ansicht von Hanselka lässt sich diese Technik bereits bei der nächsten Fahrzeuggeneration realisieren. Allerdings vermutet er, dass derartige Dächer zunächst nur in kleiner Stückzahl in Oberklasse-Fahrzeugen eingesetzt werden.

Eine weitere Anwendung der Fasern sieht Dieter Sporn für Leichtbauteile in der Luftfahrtindustrie. So besteht das Seitenleitwerk von Airbus-Jets aus Verbundwerkstoffen. Deren Überprüfung auf Haarrisse und verborgene Schäden ist bisher aufwändig. Die Leitwerke müssen mühsam mit Ultraschallgeräten abgetastet werden. Anders sähe das mit adaptronischen Materialien aus. "Ein in den Werkstoff integriertes Geflecht aus Piezofasern könnte Risse, die die Fasern unter mechanische Spannung setzen, direkt an eine Analysesoftware melden", sagt Sporn. Künftig könnten Piezofasern auf diese Weise Sicherheitschecks erheblich erleichtern.

Auch Siemens gehört zu den Verbundpartnern im Leitprojekt Adaptronik. Dr. Hans-Georg von Garßen und seine CT-Kollegen in München und Erlangen wollen mit Piezofasern die Schwingungen von Magnetresonanztomographen (MR) dämpfen. Um Weichteile des Körpers zu untersuchen, werden Patienten in die längliche Röhre des MR-Tomographen geschoben und von einem Magnetfeld abgetastet. Da das Magnetfeld dabei ständig seine Richtung ändern muss, werden physikalische Kräfte frei, die den Eingangstrichter der Röhre zu Schwingungen anregen. Der dadurch entstehende Lärm kann 120 dB erreichen. So laut ist ein startender Düsenjäger.

Problematisch sind dabei vor allem tiefe Frequenzen, die nicht nur den Patienten im Gerät, sondern auch das Personal belasten. Mit Hilfe von vielen pflastergroßen Streifen aus Piezofolien will von Garßen diese Schwingungen dämpfen. Auch hier dienen die auf den Trichter geklebten Faserstreifen zugleich als Sensor und Aktor. Die Herausforderung besteht darin, die genauen Schwingungsfrequenzen zu ermitteln und herauszufinden, wie sich die Dämpfer gezielt ansteuern lassen.

Prof. Hans Meixner, Leiter des Siemens-Fachzentrums Sensor- und Aktorsysteme bei CT in München, bringt derzeit eine andere adaptive Piezotechnik zur Serienreife. In den nächsten Jahren soll ein neuer Sensor auf den Markt kommen, der im Auto für die richtig dosierte Auslösung der Airbags sorgt. Dazu werden Dehnungsmessstreifen aus Piezofasern in die Sitze eingearbeitet. Je nach Gewicht der Passagiere werden sie stärker oder schwächer gedehnt – sehr zur Sicherheit der Insassen im Crash-Fall, denn bislang entfaltet sich ein Airbag stets mit derselben Wucht, unabhängig, ob ein kleines Kind oder eine schwergewichtige Person auf dem Platz sitzt. Dank der Dehnungsstreifen werden sich die Airbags zukünftig wohl dosiert entfalten und Passagiere jeden Gewichts vergleichsweise sanft auffangen.

Tim Schröder