Kleine Teilchen, große Wirkung?

Kaum ein Flugzeug, eine Windkraftanlage oder ein Rennrad kommt heute ohne kohlefaserverstärkte Kunststoffe aus. Parallel dazu verleihen Forscher und Unternehmen Carbon auf der Nano-Ebene außergewöhnliche Eigenschaften. Ein bayerisches Innovationsforum Mittelstand wagt nun die Vereinigung von Makro- und Nano-Welt.

Flugzeugrumpf aus der Froschperspektive

Die Kombination carbonfaserverstärkter Kunststoffe mit Nanokohlenstoffmaterialien bietet neue Möglichkeiten, etwa in der Luftfahrt.

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Man sieht sie nicht. Doch irgendwo hier muss sie verlaufen, die Trennungslinie. Mitten durch das Karl-Bröger-Tagungszentrum in Nürnberg und durch die Reihen der etwa 90 Menschen, die sich an diesem sonnigen Oktobertag hier zum Innovationsforum Mittelstand „Carbon – Nano goes Macro“ versammelt haben. Sie gehören jeweils zu einem von zwei Lagern, die sich mit demselben chemischen Element beschäftigen – und doch in ganz verschiedenen Welten leben.

„In der makroskopischen Welt geht es um Kohlefasern, die in Kunststoffe eingearbeitet werden“, erklärt Dr.-Ing. Peter Grambow. „Die mikroskopische ist die Nano-Welt, die sich mit Kohlenstoffstrukturen im Nanometer-Bereich beschäftigt.“ Diese Nano-Welt ist Grambows eigene Sphäre. Als Manager des Clusters Nanotechnologie in Bayern vernetzt er Wirtschaft, Wissenschaft und Politik und fördert den Technologietransfer sowie die Zusammenarbeit von Nanotechnologie-Akteuren. Doch das reicht ihm und einigen seiner Mitstreiter nicht. „Wir wollen die beiden Welten verbinden“, sagt Projektleiterin Dr. Stefanie Bertsch. „Und das ist gar nicht so einfach.“

Komination von Kohlefaser-Makro- und -Nano-Materialien

Kombination kohlenstoffbasierter Makro- und Nanomaterialien.

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Fahrrad und Weltraumlift

Die beiden Kohlenstoff-Parteien fremdelten bisher. Das liegt nicht nur an der unterschiedlichen Dimension der Objekte, sondern auch an bisher ganz unterschiedlichen Anwendungsgebieten, fachlichen Hintergründen und Kulturen. Schon lange begeistern sich Ingenieure für die leichten und hoch belastbaren Carbon-Verbundstoffe (CFK). Sie finden sich in Satelliten und Flugzeugen, in Sport- und Elektroautos, in Windkraftanlagen und Fahrrädern. Doch die Preise sind nach wie vor hoch: Heute kostet ein Kilogramm Stahl in der Produktion rund 3 Euro, Aluminium etwa 5 Euro – und kohlefaserverstärkter Kunststoff 30 bis 75 Euro, referiert Branchenexperte Hendrik van Delden auf dem Innovationsforum in Nürnberg, und prognostiziert: „Über eine Kostensenkung ist zu erwarten, dass es kurz- bis mittelfristig gelingt, CFK für die Großserienfertigung tauglich zu machen.“

Kohlenstoff-Nanomaterialien zeichnen sich hingegen durch eine große Vielfalt an Typen aus: Sie treten in Diamantform auf, als an Lederfußbälle erinnernde Fullerene, als wabenartiges Graphen oder als dünne Röhrchen. Je nach Struktur haben sie ganz unterschiedliche und fast immer außergewöhnliche Eigenschaften: Sie leiten Strom so gut wie Metalle, Wärme so gut wie Diamanten oder sind 100-mal zugfester als Stahl. Schon heute stecken Carbon-Nanomaterialien in verschiedenen Anwendungen: von Batterien über leitfähige Oberflächen bis zum Flammschutz. Graphen zum Beispiel gilt in der Elektronikindustrie als Hoffnungsträger; und das nicht erst, seit seine Entdecker 2010 mit dem Physik-Nobelpreis ausgezeichnet wurden. Eines Tages könnte der zweidimensionale Kohlenstoff das in der Elektronikindustrie omnipräsente Silicium ersetzen. Für Nanoröhren hingegen begeistert sich unter anderem die Raumfahrt: Als einziges bekanntes Material kommen sie für einen Aufzug infrage, der von der Erdoberfläche bis in den Weltraum reicht. „Das ist zwar in der Theorie möglich, aber noch in ganz weiter Ferne“, bremst Peter Grambow die Euphorie. „Wir konzentrieren uns momentan lieber auf Anwendungen, die wir schneller erreichen können.“

Schwungradspeicher der Firma Stornetic

In solchen Schwungradspeichern testeten die Projektpartner Epoxidharze, die mit Kohlenstoff-Nanoröhren gefüllt wurden.

STORNETIC

Vom Rohstoff zum Produkt

Um die beiden Branchen in neuen Anwendungen zu vereinen, hat Grambow mit seinem Team das Innovationsforum Mittelstand „Carbon – Nano goes Macro“ geschmiedet, das sich in Nürnberg zu einem zweitägigen Kongress trifft. Gefördert vom Bundesforschungsministerium ergründen Projektpartner vor allem aus Bayern und Sachsen gemeinsam neue Hybridmaterialien, Themen und Branchen. Wie das prototypisch funktionieren kann, zeigt etwa ein Projekt unter Leitung der Enrichment Technology Company und dem Netzwerk NanoCarbon. Gemeinsam suchten Partner aus Forschung und Industrie nach den idealen Materialkombinationen für einen Schwungrad-Energiespeicher. Dieser speichert kurzzeitig Energie, indem er ein Rohr aus kohlefaserverstärktem Kunststoff in Rotation versetzt. Dabei muss die Anlage viele Zyklen, sogenannte Lastwechsel, aushalten – eine enorme Belastung für das Material. Die Projektpartner experimentierten mit Epoxidharzen, die unter anderem mit Kohlenstoff-Nanoröhren gefüllt wurden.

Derzeit wächst der weltweite Markt carbonverstärkter Kunststoffe jährlich um etwa 11 Prozent. „Deutsche Branchenunternehmen erwarten, dass kohlefaserverstärkte Kunststoffe ein Treiber für Wachstum sind, vor allem im Automobilbereich und in der Infrastruktur“, sagt Volker Mathes von der AVK – Industrievereinigung Verstärkte Kunststoffe e. V. Die Kombination von Makro und Nano könnte noch weitere Märkte erschließen. „Wir bilden mit dem Innovationsforum die Wertschöpfungskette komplett ab. Das beginnt beim Rohstoff, geht über Prozess, Entwicklung, Modellbildung und Sicherheit bis hin zum fertigen Produkt“, betont Peter Grambow. „Das ist eine grundlegende Voraussetzung für erfolgreiche Entwicklungen in diesem Bereich.“ Und darüber gibt es bei den Teilnehmerinnen und Teilnehmern des Innovationsforums in Nürnberg keine zwei Meinungen.

WEITERE INFORMATIONEN

Dieser Beitrag ist Teil des Schwerpunkts "Innovationsforen und Innovationsforen Mittelstand", der im "Unternehmen Region"-Magazin 3/2017 erschienen ist. Lesen Sie den gesamten Beitrag.