Pictures of the Future   Herbst 2007

Wunderwelt der neuen Stoffe

Neue Materialien erhöhen die Effizienz von Kraftwerken, halten die Luft rein und das Wasser sauber. Je kleiner die Werkstoffpartikel werden, desto wirksamer bekämpfen sie Schadstoffe wie Ozon – und entlasten so die Umwelt.

Bei einem ungebremsten Klimawandel – so sagen die Fachleute – werden die Folgen dramatisch sein: Dürren, Überschwemmungen, Stürme, Artensterben, Hungersnöte, Völkerwanderungen. Doch noch ist es möglich, das Schlimmste zu verhindern (Pictures of the Future, Frühjahr 2007,  Technik für die Umwelt). Entscheidend dafür ist vor allem eine deutliche Reduktion der weltweiten Emissionen von Treibhausgasen wie Kohlendioxid (CO₂).

"Dank neuer Materialien lässt sich etwa die Effizienz bei der Erzeugung, Übertragung und Nutzung von Energie steigern – auf der Erzeuger- wie auch auf der Verbraucherseite", sagt Dr. Thomas Grandke, Leiter der Technologieabteilung Materials & Microsystems von Siemens Corporate Technology (CT). So schützen neuartige Beschichtungen die Schaufeln von Gas- und Dampfturbinen vor Hitze und Korrosion, was höhere Betriebstemperaturen erlaubt und damit den Wirkungsgrad steigert ( Optimierung von Turbinen). In der Ringbrennkammer von Gasturbinen übernehmen keramische Hitzeschilde diese Aufgabe ( Keramische Hitzeschilde).

Ein weiteres Beispiel: Leuchtdioden zählen zu den umweltfreundlichsten Leuchtmitteln der Zukunft. Sie verbrauchen etwa 80 % weniger Strom als gängige Glühlampen – und halten bis zu 50-mal länger ( Lampen und Lichtsysteme). Auch bei Metros, Fernbahnen, Flugzeugen oder Schiffen perfektioniert Siemens die Fahrzeuge, etwa durch Gewichtseinsparung, bessere Antriebe und oft auch durch neue Werkstoffe ( Züge, Schiffe, Flugzeuge). Umweltfreundlicher dank neuer Werkstoffe sind etwa die neuen, leichten Aluminium-Triebzüge der Osloer Metro. Sie verbrauchen ein Drittel weniger Strom als das Vorgängermodell, sind frei von schadstoffhaltigen Materialien und lassen sich zu mehr als 94 % wiederverwerten. Von Bakterien hergestellte Kunststoffe sollen zahlreiche Elektronikprodukte künftig umweltfreundlicher machen. Im Forschungsverbundprojekt BioFun prüfen Siemens-Wissenschaftler derzeit die Materialeigenschaften dieser Biopolymere ( Kunststoff aus dem Bioreaktor).

Gegenwärtig erlebt die Materialforschung geradezu eine Revolution. Doch die Revolutionäre sind mit bloßem Auge oft nicht zu sehen. Viele von ihnen sind kleiner als 100 nm – 1 nm ist der milliardste Teil eines Meters. Waren Forschungsinstitute vor fünf Jahren noch stolz, wenn sie gerade mal einige Gramm der Winzlinge liefern konnten, so gibt es heute mehr und mehr Herstellerfirmen, die diese Substanzen kommerziell anbieten. Damit ist die Grundlage gegeben, sie in großem Stil in industrielle Anwendungen bringen zu können. Doch die am Markt verfügbaren Nanopartikel aus Metall oder Metalloxid alleine nutzen zunächst nichts. Denn ihre besonderen Eigenschaften kommen erst dann zum Tragen, wenn die Partikel mit bestimmten Funktionen versehen und in ein Medium stabil eingebettet werden. Erst dann öffnen die Winzlinge das Tor zu verbesserten oder gänzlich neuen Materialeigenschaften – und damit auch zu Werkstoffen, die die Umwelt weiter entlasten können. "Egal, ob wir einen tonnenschweren Block oder ein staubkorngroßes Teilchen betrachten, die physikalischen und chemischen Charakteristika, wie elektrische Leitfähigkeit, Härte, Magnetismus oder chemische Reaktivität bleiben gleich. Wenn wir allerdings in die Nanowelt eintauchen, dann ändern sich diese Eigenschaften erheblich", erklärt Grandke. "Denn nanoskalige Partikel besitzen im Verhältnis zu ihrem Volumen eine riesige Oberfläche und es treten quantenmechanische Effekte auf."

Das Resultat: eine ganze Fülle von neuartigen Materialien. Aus dem Weißpigment Titandioxid etwa wird unterhalb von 150 nm ein effektiver UV-Absorber – der Grund, warum die Nanotechnologie selbst in Bereichen wie Kosmetik, hier Sonnencremes, Einzug hält. Ein weiteres Beispiel: Während Gold als äußerst inert, also reaktionsträge, gilt und deshalb gerne als Korrosionsschutz von hochwertigen Bauteilen verwendet wird, sind Gold-Nanopartikel äußerst reaktionsfreudig – eine neue Materialeigenschaft, die man sich für die Entwicklung von Katalysatoren zunutze macht. Der Grund dafür: die enorme Oberflächenvergrößerung. Während ein Festkörperwürfel von einem Kubikzentimeter eine Oberfläche von 6 cm² bietet, so sind es bei einem gleichgroßen Würfel, gefüllt mit 10 nm kleinen Kügelchen, etwa 450 m² – gut 740 000 Mal mehr. "Das Tolle: Jedes Element, jede Struktur lässt sich im Prinzip auf Nanogröße bringen und bietet uns dann völlig neue Eigenschaften an", sagt Grandke.

Wie klein die Nanowelt ist, erläutert Dr. Jens Dahl Jensen anhand eines beeindruckenden Größenvergleichs: "Stellen Sie sich die Erde und einen Fußball nebeneinander vor. Und nun den Fußball und einen Nanopartikel – et voil&aagut;." Jensen arbeitet als Kompetenzfeldleiter bei Siemens CT in Berlin und ist Projektleiter von NanoBase, einem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekt, an dem Siemens, weitere Industrieunternehmen sowie Forschungsinstitute beteiligt sind. Das Projektziel ist, neuartige Beschichtungen auf Basis funktionalisierter Nanopartikel zu entwickeln, die künftig einerseits bestehende Systeme nachhaltig verbessern, andererseits völlig neue Anwendungen ermöglichen sollen.

Im Berliner Nanolabor von Siemens erforschen Jensen und seine Kollegen derzeit, wie sie Nanopartikel modifizieren müssen, um spezielle Eigenschaften zu erhalten. Der Aspekt Arbeits- und Umweltsicherheit spielt dabei eine große Rolle. Im Labor gelten strenge Sicherheitsvorschriften. Die Forscher experimentieren unter dem Abzug und tragen Schutzkleidung. Außerdem ist die Labor-Klimaanlage abgekoppelt von der Gebäude-Klimaanlage. Zu- und Abluft werden speziell gefiltert, so dass keine Nanopartikel nach draußen gelangen. "In etwaigen künftigen Produkten wären die Nanopartikel im Schutzlack oder der Oberflächen-Beschichtung fixiert und würden in der Regel nicht in die Umwelt entweichen", konstatiert Jensen. "Mögliche Gesundheitsgefahren werden derzeit auch in der Feinstaubdiskussion behandelt."

Ozon effizient abbauen. Im Fokus der Siemens-Forschung stehen im Rahmen von NanoBase katalytisch hochaktive Schichten, die – auf einen Katalysatorträger aufgebracht – beispielsweise Ozon zersetzen sollen. "Solche Ozonkonverter könnten künftig in Klimaanlagen von Flugzeugen zum Einsatz kommen." Da die Außenluft auf 10 000 m Höhe bis zu 550 ppb (parts per billion) Ozon enthalten kann, muss dieses vor dem Einleiten in die Kabine zersetzt werden. Denn das in hohen Konzentrationen gesundheitsschädliche Gas darf in der Kabine den Grenzwert von 100 ppb im Drei-Stunden-Mittel nicht überschreiten. In herkömmlichen Flugzeug-Klimasystemen erwärmt sich die Außenluft durch Kompression kurzzeitig auf 150 bis 200 °C, bevor sie auf das Niveau der Kabinentemperatur abgekühlt wird. Bei diesen hohen Temperaturen wird das Ozon sehr effizient in Edelmetall-Katalysatoren zu unschädlichem Sauerstoff zersetzt.

Ziel von NanoBase ist es, Materialien zu entwickeln, die eine Umwandlung von Ozon in Sauerstoff ohne Edelmetalleinsatz und bei Temperaturen deutlich unter 100 °C ermöglichen. Das bringt mehr Flexibilität bei der Auslegung von Klimasystemen, denn der Ozonkonverter ist dann nicht mehr an hohe Temperaturen gebunden. Dies wird zum Beispiel für Flugzeuge von Bedeutung sein, bei denen die Außenluft mit elektrischen Kompressoren auf den Kabinendruck verdichtet wird. Dabei werden nämlich nicht die hohen Temperaturen erreicht, wie sie bei den heute verwendeten, direkt von den Triebwerken angetriebenen Kompressoren auftreten.

Bis dahin ist es zwar noch ein weiter Weg. Doch in zwei Jahren soll es einen ersten Demonstrator geben, der das Ozon bei weit unter 100 °C wirksam zersetzt. "Diesen Prototypen entwickeln wir im Rahmen von NanoBase gemeinsam mit EADS und weiteren Partnern", sagt Jensen. "Dazu kombinieren wir eine seit Ende der 1960er Jahre etablierte Methode, das Chemisch Nickel-Verfahren, mit Nanotechnologie." Bei solchen Beschichtungen handelt es sich meist um Nickel-Phosphor-Legierungen, die als Verschleiß- oder Korrosionsschutz auf das Trägermaterial – in der Regel metallische Werkstoffe, aber zunehmend auch Kunststoffe oder Glas – abgeschieden werden. Dazu wird das Trägermaterial in ein Tauchbad gelegt. Die Nickel-Legierung alleine ist allerdings ein schlechter Katalysator. "Wenn wir jedoch Nanopartikel aus Metall- oder Metalloxid in die oberste Metallschicht gleichmäßig einbetten, erhalten wir so genannte Nano-Kompositschichten mit hochkatalytischen Eigenschaften", sagt Jensen.

Derart modifizierte Schichten zersetzen Ozon bei viel niedrigeren Temperaturen als herkömmliche Konverter und arbeiten zudem wesentlich schneller. Gegenwärtig optimieren die Siemens-Forscher den Abscheideprozess und testen die verschiedensten Nanopartikel. Ein aufwändiges Unterfangen. "Allein die Nanopartikel stabil zu halten und dafür zu sorgen, dass sie im Tauchbad nicht verklumpen und zu Boden sinken, ist eine Wissenschaft für sich", betont der Ingenieur. "Auch sicherzustellen, dass sie gleichmäßig in die Nickel-Legierung eingebaut werden, ist eine große Herausforderung für uns. Hier setzen wir all unser Know-how ein und lernen jeden Tag dazu."

Graffiti abperlen lassen. Die Katalysatoren der Zukunft sind nicht nur für die Luft- und Raumfahrtindustrie von Interesse. "Auch in Zügen und Autos könnten unsere Nano-Kompositschichten bald zum Einsatz kommen. Das ist ein riesiger Markt", sagt Jensen. "In den Zugabteilen könnten sie nicht nur für Frischluft sorgen, sondern auch die Wagenkästen sauber halten. Katalytisch wirkende, selbstreinigende Oberflächen würden auch vor Graffiti schützen."

Ein immenser Vorteil für Bahnbetreiber, denn die Entfernung der aufgesprühten Farbe ist heute kostspielig und langwierig: Für die Reinigung eines S-Bahn-Zugs benötigen zwei bis drei Fachkräfte einen ganzen Arbeitstag. Oft lässt sich das Graffiti nur mit stark reizenden Chemikalien beseitigen, die nicht nur Schmierereien entfernen, sondern auch die darunter liegenden Lack- und Folienschichten angreifen. "Allein die Deutsche Bahn AG könnte hier jedes Jahr einen zweistelligen Millionenbetrag einsparen", sagt Jensen. "Zudem lassen sich Nano-Kompositschichten etwa als Filterelemente in Wasseraufbereitungsanlagen einsetzen. Auch können sie die Sensibilität chemischer Sensoren erhöhen, mit denen sich Drogen und Sprengstoff schnell und einfach nachweisen lassen."

Raue Bedingungen besser verkraften. Neben der Entwicklung katalytisch hochaktiver Schichten sieht das Projekt NanoBase auch die Verbesserung von Schutzschichten für Komponenten der Elektro- und Verkehrstechnik vor. Gegenwärtig werden elektronische Bauelemente und Systeme meist durch eine Kunststoff-Umhüllung vor Umwelteinflüssen geschützt. Doch dieser Schutz ist nicht immer ausreichend, insbesondere dann, wenn die Komponenten in rauer Umgebung zum Einsatz kommen, etwa im Motorraum von Kraftfahrzeugen oder bei Industrieanwendungen.

Wasser-, Luft- oder Schadgasmoleküle können die Kunststoffe durchdringen und zu einem Ausfall der betroffenen Elektronikkomponente führen. "Dies kann sogar ganze Industrieanlagen oder Verkehrsleitsysteme lahm legen – mit unter Umständen schwerwiegenden Folgen für Mensch und Umwelt, ganz zu schweigen vom wirtschaftlichen Schaden", berichtet Dr. Peter Gröppel von CT in Erlangen.

Auch die Lebensdauer von organischen Leuchtdioden nimmt beispielsweise stark ab, wenn sie mit Feuchtigkeit und Sauerstoff in Berührung kommen. Deshalb arbeitet Gröppel an neuen Nano-Lacken und Klebstoffen mit einer weit besseren Barrierewirkung. "In unseren Erlanger Labors synthetisieren wir dazu Nanokomposite auf Basis modifizierter Schichtsilikate. Diese bestehen aus Nanopartikeln mit einer Dicke von 1 nm und einer Länge und Breite von 500 nm – was zu der gewünschten Sperrwirkung führt. Wassermoleküle zum Beispiel dringen dann zehnmal langsamer durch die Schicht als bei herkömmlichen Schutzlacken", erklärt der Chemiker.

Letztere haben neben der unzureichenden Barrierewirkung ein weiteres Manko: Sie enthalten häufig umweltschädliche organische Lösungsmittel. "Unser Ziel im Rahmen von NanoBase ist es deshalb, bis 2009 eine wasserbasierte und damit lösungsmittelfreie Nano-Schutzlackierung zu realisieren, die gleichzeitig weit bessere Produkteigenschaften besitzt", erläutert Gröppel.

Die Visionäre träumen bereits von selbstheilenden Schutzlacken. Wer dann eine kleine Schramme in sein Auto fährt, braucht sich keine Sorgen mehr zu machen. Denn die im Autolack enthaltenen Nano-Kapseln würden an den Rändern der Schadstelle aufgerissen und dann einen Katalysator freisetzen, der mit anderen Bestandteilen des Lacks reagiert – der Lack könnte etwa zudem winzige Tröpfchen von funktionalisierten kleineren Polymeren enthalten. Der Kratzer wäre ausgefüllt und versiegelt, bevor die darunterliegende Metallschicht zu korrodieren beginnt – und das Fahrzeug sähe wieder aus wie neu.
                                                                                                           Ulrike Zechbauer