Materialforschung Neue Materialien
Werkstoffe nach Maß
Ob Holz, Stein oder Keramik jahrtausendelang haben die Menschen Stoffe verwendet, wie sie in der Natur verfügbar waren. Heute erleben wir eine große Umwälzung: Wissenschaftler schneidern Materialien nach Maß für beliebige Zwecke; zum Teil sogar auf atomarer Ebene. Und die Zukunft wird den intelligenten Werkstoffen gehören.
Rainer Nies von Siemens Corporate Technology zeigt den Fortschritt in der Materialforschung am Beispiel von Seilen. Jedes von ihnen kann 3 t tragen. Aber je nach Werkstoff variiert der Querschnitt des Seils zwischen 22 mm bei Hanf und 6 mm bei Hochleistungspolymeren
Tausende Generationen lang mussten die Menschen mit den Materialien auskommen, die ihnen die Natur bot Holz, Steine und Metalle wie Gold, Blei oder Kupfer. Selbst nach der Entdeckung der Erzgewinnung, des Tonbrennens und der Glasmacherei vergingen fast zwei Jahrtausende ohne nennenswerte Sprünge in der Materialwissenschaft. "Vor 50 Jahren hat es die Materialforschung als eigenständiges Fachgebiet noch gar nicht gegeben", sagt Dr. Peter Paul Schepp, Geschäftsführer der Deutschen Gesellschaft für Materialkunde (DGM). Entwickler hätten praktisch nur die Materialien verwendet, die sie in einem Katalog aussuchen konnten.
Das hat sich dramatisch geändert. "Das Wissen über Materialien ist in den vergangenen zwei Jahrzehnten förmlich explodiert", sagt Rainer Nies vom strategischen Marketing von Siemens Corporate Technology (CT). Der Physiker hat eine Studie über neue Materialien federführend erarbeitet. Fazit: Bisher optimierten Entwickler bekannte Materialien für neue Zwecke. Heute schneidern Werkstoffwissenschaftler, Chemiker, Physiker und sogar Biologen oder Informatiker neue Materialien nach Maß. Morgen sogar auf atomarer Ebene. "Wir stehen am Beginn einer neue Epoche, dem Zeitalter der intelligenten Werkstoffe", sagt Nies.
Die Schlagworte der Zukunft heißen Nanotechnologie, Bioengineering oder Adaptronik. Auf dem Gebiet der Adaptronik wollen Forscher z.B. Werkstoffe schaffen, die sich den Umweltbedingungen anpassen etwa tragende Bauteile, die Schwingungen von selbst dämpfen können (siehe Beitrag Adaptronik). Unter den Biomaterialien summieren sich Biopolymere, künstliche Spinnenfasern, biomorphe Keramiken, die etwa aus Wellpappe entstanden sind und noch deren Grundstuktur haben, sowie Werkstoffe für die Medizin wie künstliche Gewebeteile (siehe Beitrag Bioengineering). Und die Nanotechnologie hat in letzter Konsequenz einzelne Atome im Visier, die Stück für Stück an ihren Platz manövriert werden, um einen Werkstoff bis in die kleinstmögliche Einheit kontrolliert aufzubauen (siehe Beitrag Nanotechnologie). Der amerikanische Chemie-Nobelpreisträger Richard Smalley ist überzeugt, dass vor allem die Nanotechnik unsere Welt dramatisch verändern wird (siehe Interview). Deutsche Experten teilen Smalleys Ansicht: Nach einer Studie des Verbands der Elektrotechnik (VDE) hat die Mikrosystem- und Nanotechnik vor der Informationstechnik und der Biotechnologie das größte Innovationspotenzial.
Festplatte gegen Moleküle: Eine Schicht organischer Moleküle kann pro Flächeneinheit 1000 Mal mehr Daten speichern als eine Festplatte
Geschäumtes Metall.Aber auch ohne Nanotechnik wird die Menge an Werkstoffen aufgrund von Kombinationen bekannter Materialien mit anderen Herstellungsverfahren zunehmen. So könnten geschäumte Leichtmetalle besonders leichte und dennoch stabile Bauteile für die Luft- und Raumfahrt oder das Auto werden, da sie eine hohe Steifigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht haben. Ähnliche Eigenschaften zeigen Komposite, in denen Fasern aus hochfesten oder sehr steifen Materialien wie Glas oder Kohlenstoff in Kunststoffe eingearbeitet sind.
Forscher können die Vielfalt an Werkstoffen zudem mit verbesserten Fertigungsprozessen vergrößern. DGM-Geschäftsführer Schepp führt etwa das superplastische Formgeben an, das es erlaubt, Bauteile wesentlich günstiger herzustellen: "Die Endkontur entsteht nahezu in einem Schritt, wie es klassisch nur beim Gießen möglich ist. Drehen und Fräsen sind allenfalls zur Feinbearbeitung erforderlich." Notwendig ist dazu eine exakt auf das Material abgestimmte thermomechanische Vorbehandlung. Die Kornstruktur des Werkstoffs verfeinert sich dabei derart, dass die Körnchen wie Sand in die Form fließen und sie bei höchstens 10 % des konventionellen Pressdrucks vollständig ausfüllen. Besonders geeignet ist das superplastische Formgeben für medizinische Implantate. So besteht ein künstlicher Oberschenkelhalsknochen aus Titanlegierungen, einem besonders teuren und schwer zu zerspanenden Material. In der Massenproduktion wirkt sich die Vermeidung von Abfall, der etwa beim Fräsen oder Zerspanen komplexer Bauteile in großen Mengen entsteht, deutlich auf die Herstellungskosten aus.
Glühbirne gegen LED: Rote Leuchtdioden sind in der Lichtausbeute dreimal effizienter als eine Glühbirne
Notwendig für das Gelingen heutiger Materialentwicklung ist nach Ansicht aller Experten eine neue Dimension der Interdisziplinarität. Es müssen Forscher verschiedener Fachrichtungen auf jeder Stufe der Entwicklung Hand in Hand arbeiten, und alle Komponenten eines Bauteils müssen optimal zusammenwirken. Zudem ist entscheidend, die Anwender eines Systems frühzeitig einzubinden.
Keramik unter Spannung. Ein Paradebeispiel für den Erfolg moderner Materialforschung ist die von Piezokristallen angetriebene Dieseleinspritzung von Siemens (Bild rechts). Der Piezoeffekt ist seit langem bekannt: Bestimmte Keramiken dehnen sich aus, wenn eine Spannung angelegt wird und ziehen sich nach Abschalten des Stroms wieder zusammen. "Diesen Effekt nutzt der Injektor, um ein Ventil zu öffnen und wieder zu schließen", erklärt der CT-Materialforscher Dr. Karl Lubitz, der das Schlüsselbauteil des Injektors für den Automobilzulieferer Siemens VDO entwickelt hat. Mehr als zehn Jahre Forschungsarbeit stecken in dem Piezo-Injektor, der 1 mm³ Dieselöl in weniger als 1 ms bei einem Druck von 1600 bar in den Verbrennungsraum eines Dieselmotors schießt. Vorteile der gezielten Einspritzung: Die Motoren bringen mehr Leistung, sie laufen ruhiger und leiser, außerdem sinken Verbrauch und Emissionen. Obwohl es auch schon aus 360 keramischen Einzelschichten besteht, ist das kunststoffummantelte Bauteil nur ein kleiner Bestandteil eines Systems, in dem jede einzelne Komponente kritisch für die Funktion ist.
Leuchtdioden und Piezo-Injektor für Dieselfahrzeuge: Zwei Paradebeispiele für erfolgreiche Materialentwicklung bei Siemens. Zum Ziel führten nicht nur Verbesserungen am Material, sondern vor allem auch bei der Verarbeitung
"Zu Anfang hat kaum jemand daran geglaubt, dass wir die Einspritzung von Kraftstoffen in Motoren mit einer Piezokeramik steuern könnten", sagt Dr. Andreas Kappel. Der Forscher aus der CT-Abteilung Mikrosysteme hat aber nach und nach alle von der Technik überzeugt. "In den nächsten Jahren wird Siemens VDO damit Milliardenumsätze machen", berichtet Kappel stolz. "Das Potenzial der Technik ist noch nicht einmal ansatzweise erschlossen." So eignen sich die Piezokeramiken nicht nur für die Diesel- oder Benzineinspritzung, sondern z.B. auch für die Schalldämpfung von Magnetresonanztomographen (siehe Beitrag Adaptronik).
Sprunghafte Entwicklung der Leuchtkraft von LED
Seit 1970 verbesserten Wissenschaftler die Effizienz von Leuchtdioden alle zehn Jahre um den Faktor 30 hier gezeigt an der Lichtmenge, die eine Leuchtdiode bezogen auf den verbrauchten Strom erzeugt. Die Grafik veranschaulicht zudem die durch Leuchtdioden erreichbaren Farben und die verwendete Materialvielfalt
Computer kombiniert. Die Injektoren können Kappel und seine Mitarbeiter inzwischen bis in die Mikrostuktur am Computer simulieren und während der Arbeit beobachten. Damit lassen sich in kurzer Zeit zahlreiche Versuche zur Verbesserung der Einspritzung vornehmen, ohne dass das System in einen realen Motor eingebaut werden muss. Für die Materialforschung werden solche Simulationen immer wichtiger. Sie ermöglichen Vorhersagen über das Verhalten von Stoffen bei verschiedenen Temperaturen, bei Beanspruchung und im Lauf des Lebenszyklus.
Mathematische Methoden treten zudem an die Stelle von Versuch und Irrtum. Mit kombinatorischen Methoden können Forscher eine Mixtur chemischer Elemente in einem Arbeitsschritt untersuchen und aus dem Datenwust die beste Mischung für eine bestimmte Anwendung herausfiltern (siehe Kalkuliertes Material). Aber auch der schnellste Supercomputer kann die Erfahrung eines Wissenschaftlers nicht ersetzen. "Erfolg braucht Kontinuität, auch personell", sagt Dr. Bernhard Stapp, Leiter der Forschung bei Osram Opto Semiconductors. Er weiß, wovon er redet. Seine Forscher haben maßgeblich zur Steigerung der Effizienz von Leuchtdioden (LED) beigetragen, in denen elektrischer Strom in Licht umgewandelt wird (siehe Grafik). Die Vorteile von Leuchtdioden: Ihre Lebensdauer liegt je nach Betriebsbedingungen bei maximal 100 000 Stunden, das sind fast 30 Jahre bei einer Brenndauer von zehn Stunden am Tag. Zudem sind sie extrem robust und ihr Wirkungsgrad ist um ein Vielfaches höher als der einer Glühbirne. In einigen Bereichen wie der Innenbeleuchtung von Autos haben die Leuchtzwerge die herkömmliche Technik bereits abgelöst, bei Autorückleuchten steht der Wandel bevor.
Die dramatische Verbesserung der LED, die Chipkantenlängen von weniger als 0,5 mm haben, ist nicht nur auf das Material, sondern auch auf die besondere Oberflächenstruktur zurückzuführen. Zur Herstellung von Leuchtdioden werden bei Temperaturen von 600 bis 1000 °C mehrere kristalline Schichten auf Halbleiterscheiben abgeschieden. Dabei ist jeder einzelne Parameter, ob Temperatur oder Druck, ob Rotationsgeschwindigkeit der Wafer oder Zusammensetzung der Gase, kritisch für ein optimales Produkt das auch noch wirtschaftlich in Serie gefertigt werden muss. Als großes Problem bei den LED-Materialien Gallium-Indium-Aluminium-Phosphid oder Gallium-Indium-Nitrid erweist sich ihr extrem hoher Brechungsindex: Das Licht wird zum größten Teil an den Grenzen des Kristalls ins Innere reflektiert. Die Forscher umgingen die Totalreflexion, indem sie eine Oberfläche mit speziell geformten Profilen produzierten, was den Lichtaustritt erheblich verbessert. Durch diesen Trick und stetige Materialoptimierungen hat sich die Effizienz der Leuchtdioden um den Faktor 30 je Dekade erhöht.
Kupfer gegen Nanoröhre: Bei gleichen Abmessungen leitet ein Draht aus Nanoröhren den Strom 1000 Mal besser
"Wir müssen eben mehr machen, als nur das beste Leuchtmaterial zu finden", bilanziert Stapp. "Wir müssen die komplexen Zusammenhänge zwischen Material, Prozess und Anwendungen erkennen und beherrschen." Und der Piezo-Forscher Karl Lubitz ergänzt: "Ein Forscher im stillen Kämmerlein hat bei neuen Materialien keine Chance."
Norbert Aschenbrenner