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Leichtbau

Nachhaltige Hightech-Fasern aus Papier

| Redakteur: Lilli Bähr

Ein Nachwuchswissenschaftler hat erforscht, wie leistungsstarke und nachhaltige Kohlenstofffasern kostengünstig hergestellt werden können. Damit soll der Startschuss für eine ökologische, kostengünstige sowie massentaugliche Alternative zu klassischen Kohlenstofffasern gefallen sein.

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Das braune Lignin ist ein Abfallprodukt der Papierindustrie. Schon bald soll es zur Herstellung von ökologischen Kohlenstofffasern eingesetzt werden.
Das braune Lignin ist ein Abfallprodukt der Papierindustrie. Schon bald soll es zur Herstellung von ökologischen Kohlenstofffasern eingesetzt werden.
(Bild: Muhannad Al Aiti/TU Dresden)

Muhannad Al Aiti, Nachwuchswissenschaftler an der TU Dresden und am Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden, hat erforscht, wie Kohlenstofffasern aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt werden müssen, um den hohen Anforderungen von Automobilindustrie und Windenergie-Branche zu entsprechen.

Seit mehr als 60 Jahren versuchen Forscher aus der ganzen Welt hochwertige Fasern aus biogenen Abfallprodukten herzustellen, seit 20 Jahren konzentriert sich die Forschung auf Lignin. Aber erst jetzt – durch die Forschungsergebnisse von Al Aiti – soll umfänglich bekannt sein, wie nachhaltige Hochleistungsfasern erfolgreich hergestellt werden können.

Kohlenstofffasern beliebt bei Leichtbauanwendungen

Leicht und stabil: Kohlenstofffasern, auch Carbonfasern genannt, sind das aktuelle Lieblings-Material vieler Ingenieure. Automobilindustrie, Windenergie-Branche sowie Raum-, Luft- und Schifffahrt nutzen das Verbundmaterial aus Kohlen- und Kunststoff bevorzugt für Leichtbauanwendungen. So kann Gewicht und Kraftstoff gespart und die Leistung gesteigert werden. Bisher werden Kohlenstofffasern jedoch überwiegend aus Erdöl oder Pech hergestellt. Das ist teuer, verbraucht endliche Ressourcen und könnte die steigende Nachfrage bald nicht mehr decken.

Herstellung auf Basis von Lignin

Al Aiti hat sich für die Herstellung von Kohlenstofffasern auf der Basis des nachwachsenden Rohstoffes Lignin entschieden. Lignin macht ca. 20 % bis 30 % der Trockenmasse verholzter Pflanzen aus. Es ist ein Abfallprodukt der Papierindustrie, das massenhaft und kostengünstig zur Verfügung steht. „Jedes Jahr fallen etwa fünfzig Millionen Tonnen Lignin in der Papierindustrie an, die bisher fast vollständig wieder verbrannt werden. Schon lange versuchen Wissenschaftler weltweit, massentaugliche Lignin-basierte Kohlenstofffasern herzustellen. Mich hat interessiert, wie Lignin kostengünstig aufbereitet und zu Fasern verarbeitet werden kann, um dem Massenmarkt zu genügen. Die hohen Herstellungskosten der etablierten Kohlenstofffasern blockieren den Durchbruch am Markt bisher“, so Al Aiti.

Tipp: Anwendertreff Leichtbau Auf dem Anwendertreff Leichtbau, der vom 4. bis 5. Dezember 2018 in Würzburg stattfindet, können sich Teilnehmer über den Material-, Struktur- und Fertigungsleichtbau informieren. Im Mittelpunkt dieses Jahr steht unter anderem die Topologieoptimierung, die Additive Fertigung und Verbundwerkstoffe.
Mehr Informationen: Anwendertreff Leichtbau

Produktionsprozess aus physikalischer und chemischer Perspektive

Ingenieure, Werkstoffwissenschaftler und Chemiker suchen weltweit nach geeigneten Rohstoffen und Produktionsbedingungen, um ökologische Kohlenstofffasern herstellen zu können – mit bestimmten mechanischen Eigenschaften und zu einem Preis, der vor allem für die Automobilindustrie und Windenergie-Branche attraktiv sein muss.

Bisherige Forschungen konzentrieren sich dabei auf die chemische Zusammensetzung. Der Nachwuchswissenschaftler hat einen anderen Ansatz verfolgt: Er hat sich Material und Produktionsprozess aus physikalischer und chemischer Perspektive angeschaut und jeden einzelnen Herstellungsschritt untersucht. Dadurch konnte er einen umfangreichen Kriterienkatalog erstellen, an dem Wissenschaft und Wirtschaft nun ablesen können, wie erfolgsversprechend die eigenen ökologischen Kohlenstofffasern sind.

Forschung für einen industrialisierbaren Prozess

Aktuell forscht Al Aiti weiter am Produktionsprozess der nachhaltigen Hightech-Fasern. Seit Mitte August experimentiert er an der Technischen Universität Tampere (Finnland). Nur dort soll er die Lignin-basierten Kohlenstofffasern mit einem speziellen Spinnverfahren herstellen können.

Ziel ist, Lignin in einem industrialisierbaren Prozess so aufzuarbeiten, dass daraus leistungsfähige, kostengünstige und massentaugliche ökologische Kohlenstofffasern entstehen. Die Forschungsergebnisse dazu sollen noch in diesem Jahr veröffentlicht werden.

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