Verbundwerkstoffe Verbundwerkstoffe werden kohlenstoffarm

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EPFL - THEOS - Theory and Simulation of materials

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Forscher der EPFL und ihrer Start-ups haben eine neue Generation von Verbundwerkstoffen entwickelt. Sie sind selbstreparierend, selbsthärtend und wiederverwendbar, um den Übergang zu einer kohlenstoffarmen Kreislaufwirtschaft zu unterstützen.

Verbundwerkstoffe sind unauffällig, leicht, ermüdungs- und witterungsbeständig sowie einfach zu formen und eignen sich daher für eine Vielzahl von Anwendungen: Flugzeugflügel, Windturbinenflügel, Fahrradrahmen, medizinische Prothesen und vieles mehr. Ihre einzigartigen Eigenschaften inspirieren Wissenschaftler und Ingenieure seit Anfang des 20. Jahrhunderts. In den 1960er Jahren setzten sich Verbundwerkstoffe zunächst in der Luft- und Raumfahrtindustrie durch, da sie eine leichte Alternative boten, die den Treibstoffbedarf drastisch reduzierte. Fragen nach dem ökologischen Fußabdruck und dem Recyclingpotenzial der Materialien traten eher in den Hintergrund. Heute jedoch erreichen viele Teile aus Verbundwerkstoffen das Ende ihrer Nutzungsdauer, und die Besorgnis über die Auswirkungen auf Umwelt und Gesellschaft wächst. Als Reaktion darauf haben Wissenschaftler der EPFL eine neue Generation von Verbundwerkstoffen entwickelt, die für die Kreislaufwirtschaft konzipiert sind. Diese Materialien beruhen auf Fortschritten bei Pflanzenfasern, biobasierten Harzen, selbstreparierenden Verbindungen und energiesparenden Produktionsmethoden.

Widerstandsfähig und verformbar zugleich

Die Eigenschaften von Verbundwerkstoffen ergeben sich der Kombination von zwei oder mehr Materialien - in der Regel einer Polymermatrix und einem Netzwerk aus Glas- oder Kohlenstofffasern. Diese werden in einer Struktur hergestellt, die die Kraftverteilung optimiert und eine bessere Leistung als ein einzelnes Material bietet. Einige Verbundwerkstoffe werden in Anwendungen eingesetzt, die extremen Bedingungen ausgesetzt sind und sehr widerstandsfähig sein müssen, z. B. für Flugzeugrümpfe und Weltraumraketen. Bei anderen Anwendungen ist eine solche Widerstandsfähigkeit nicht erforderlich und es können ökologischere Materialien und weniger intensive Produktionsmethoden verwendet werden. Flachs- und Hanffasern zum Beispiel sind in einigen Teilen von Booten, Autos und Flugzeugkabinen bereits recht verbreitet. „Heute verfolgen die Ingenieure bei der Entwicklung von Verbundwerkstoffteilen einen Ansatz, der den gesamten Lebenszyklus berücksichtigt“, sagt Prof. Véronique Michaud, Leiterin des Laboratory for Processing of Advanced Composites (LPAC) an der EPFL School of Engineering. „Zum Beispiel sind Teile aus Kohlefasern in der Herstellung weniger umweltfreundlich, aber wenn sie in Flugzeugen verwendet werden, können sie den Treibstoffverbrauch während der gesamten Lebensdauer des Flugzeugs erheblich reduzieren. Pflanzenfasern hingegen haben den Vorteil, dass es sich um eine erneuerbare Ressource handelt, aber wir müssen die für ihren Anbau benötigten Pestizide, Düngemittel und Wasser berücksichtigen. Fasern von Bananenstauden sind eine vielversprechende Option, da Bananenbauern ihre Bäume ohnehin alle drei Jahre entwurzeln. Wir könnten diese Fasern wiederverwenden, anstatt sie zu vergeuden.“

Vitrimere: Harze der nächsten Generation

Harze sind eine weitere Art von Verbundwerkstoffen, die jedoch häufig wegen ihrer Umweltauswirkungen kritisiert werden, da sie hauptsächlich aus Erdölderivaten hergestellt werden. Chemiker erforschen eine Reihe von biobasierten Alternativen, die jetzt in unterschiedlichem Maße in Polymere eingearbeitet werden. Die wirkliche Revolution in diesem Bereich könnten jedoch Vitrimere sein, Harze der nächsten Generation, die die Aufmerksamkeit zahlreicher Materialwissenschaftler erregt haben. Vitrimere vereinen die Eigenschaften zweier sehr unterschiedlicher Gruppen herkömmlicher Polymere: eine hohe Widerstandsfähigkeit, die leider dazu führt, dass die Materialien nur schwer recycelt werden können, und eine Formbarkeit, die dazu führt, dass die Materialien leicht zu verarbeiten und wiederzuverwenden sind, aber auch weniger haltbar. „Vitrimere öffnen die Tür zu einer Welt voller Möglichkeiten“, sagt Michaud. „Bei LPAC nehmen wir an dem von Innosuisse finanzierten Projekt ZeroPol teil, das darauf abzielt, den Kohlenstoff-Fußabdruck von Kunststoffen während ihres gesamten Lebenszyklus zu verkleinern. Unsere Aufgabe besteht darin, verschiedene von einem großen Basler Unternehmen entwickelte Verbindungen zu testen, um zu sehen, wie sie in Verbundwerkstoffen eingesetzt werden können. Konkret stellen wir Musterteile her und messen dann deren Eigenschaften“. LPAC beteiligt sich auch an einem von der EU finanzierten Projekt zur Entwicklung eines relativ weichen Glasfaserkunststoffs, der durch geringe Wärmezufuhr umgeformt werden kann. Eine mögliche Anwendung für diese Technologie sind Kopfhörer.

Weniger Kohlenstoffemissionen mit selbsthärtenden Verbundwerkstoffen

Ein Großteil der Umweltauswirkungen von Hochleistungsverbundwerkstoffen resultiert aus dem energieintensiven Verfahren zu ihrer Herstellung. Diese Materialien werden in der Regel bei hohen Temperaturen in einem Autoklaven ausgehärtet, einem Gerät, das einem riesigen Dampfkochtopf ähnelt. „Nahezu 95 % des Energieverbrauchs entfallen auf das Aufheizen des Autoklaven auf die richtige Temperatur“, sagt Michaud. Um diesen Energieverbrauch zu senken, entwickeln die LPAC-Wissenschaftler ein selbsthärtendes Harz, das viel weniger Wärme von außen benötigt. „Die Idee besteht darin, eine Ecke des Verbundstoffteils mit UV-Strahlung zu bestrahlen und dann die Wärme dank der Molekularstruktur des Materials von selbst weiterzuleiten. Die Technik hat sich an Mustern bewährt, aber es sind noch einige Jahre der Forschung nötig, bevor sie in großem Maßstab eingesetzt werden kann.“ LPAC hat jedoch andere Aushärtungsmethoden entwickelt, die keinen Autoklaven erfordern. Diese wurden erfolgreich getestet, und eine davon wurde Anfang der 2000er Jahre für die Herstellung des Rumpfes des Alinghi-Rennboots verwendet. Beyond Gravity (ehemals RUAG Space), ein Luft- und Raumfahrtunternehmen mit Sitz in Zürich, verwendet ein ähnliches Verfahren zur Herstellung der Nutzlastverkleidungen für Ariane-Raketen.

Von selbstheilenden Verbundwerkstoffen bis zu intelligenten Fasern

Auch wenn Verbundwerkstoffe extrem widerstandsfähig sind, sind sie nicht immun gegen starke Stöße, die ihre Struktur verändern können. Sowohl Universitätsforscher als auch Hersteller sind an der Entwicklung selbstheilender Verbundwerkstoffe interessiert, die zur Herstellung von Teilen mit längerer Lebensdauer verwendet werden können. Diese Verbundwerkstoffe enthalten selbstheilende Substanzen, die bei Rissen oder Beulen freigesetzt werden. Das EPFL-Spin-off CompPair vermarktet eine solche Technologie, deren Harze sich selbst reparieren können, wenn Wärme (ca. 100°C) auf die beschädigte Stelle einwirkt.

Doch damit wird nur ein Teil des Problems angegangen. Wenn Teile aus Verbundwerkstoffen versagen, liegt das oft an einem Fehler in der Art und Weise, wie die Komponenten miteinander verbunden sind, und nicht an einem Problem mit dem Material selbst. Das ist zum Beispiel bei Rotorblättern von Windkraftanlagen der Fall. Hier arbeitet LPAC mit der Gruppe für Verbundwerkstoff-Mechanik (GR-MeC) der EPFL zusammen, um einen Klebstoff zu entwickeln, der zum Teil aus Polymer-Mikropartikeln besteht, die der Mischung die richtige Konsistenz verleihen und es ermöglichen, Risse durch einfache Wärmezufuhr zu reparieren. Eine weitere Forschungsrichtung besteht darin, Verbundwerkstoffe mit intelligenten Fasern zu versehen, so dass Daten direkt im Bauteil selbst gesammelt werden können, um zu erkennen, wann Reparaturen erforderlich sind oder wann das Bauteil verschrottet werden sollte. LPAC arbeitet mit dem Labor für Photonische Materialien und Faserbauelemente der EPFL unter der Leitung von Fabien Sorin, der auf intelligente Fasern spezialisiert ist, an mehreren Projekten in diesem Bereich.

Die komplizierte Kombination von Materialien macht Verbundwerkstoffe so nützlich, stellt aber auch ein Problem dar, wenn es um das Recycling geht. Die Verbundwerkstoffteile der ersten Generation erreichen jetzt das Ende ihrer Nutzungsdauer, und die meisten von ihnen werden entweder verbrannt oder vergraben, weil ihre Bestandteile veraltet sind. Architekten und Bauingenieure suchen jedoch nach Möglichkeiten, alte Strukturen aus Verbundwerkstoffen wiederzuverwenden. „Im Moment ist es noch eine Nischenanwendung, aber sie könnte sich sehr gut ausweiten“, sagt Prof. Anastasios Vassilopoulos, der die Gruppe für Verbundwerkstoffmechanik leitet. "Wir haben mit Clemens Waldhart, Mitarbeiter von AAF Architects und Dozent am EPFL-Labor für elementare Architektur und Typenstudien, an Projekten zur Wiederverwendung von Windturbinenflügeln als Baumaterialien [Bild 1] und zur Erstellung eines Überhangs für die Südumfahrung von Lausanne mit anschliessender Anbringung von Solarzellen [Bild 2] gearbeitet. Beide Projekte befinden sich in der Entwicklung und werden von den verschiedenen Beteiligten unterstützt."

Ein anderer Ansatz besteht darin, ausgediente Verbundwerkstoffe in ihre Bestandteile - Fasern und Polymere - aufzuspalten. Dies geschieht durch den Einsatz von Lösungsmitteln oder durch ein Verfahren namens Pyrolyse, bei dem die Verbundwerkstoffe auf hohe Temperaturen erhitzt werden. Mehrere Unternehmen, darunter die EPFL-Firmen Composite Recycling und Verretex, arbeiten daran, diese Verfahren umweltfreundlicher und rentabler zu machen. Composite Recycling hat ein tragbares System entwickelt, das gebrauchte Bootsteile direkt im Hafen verwerten kann. Das System produziert recycelte Faserstücke, die lang genug sind, um ohne vorherigen Schmelzvorgang wiederverwendet zu werden. In der Zwischenzeit hat Verretex ein Recyclingverfahren erfunden, das ungewebte, kurze Fasern mit der gleichen Qualität wie die ursprünglichen Fasern erzeugt, die in großen Mengen verkauft werden können.

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