Werkstoffe für die Zukunft: Carbon und der Wunderwerkstoff Graphen

Leichtigkeit als grundlegender Nutzen neuer Werkstoffe
 

Carbon ist als Werkstoff das typische Beispiel für die allgemeine Stoßrichtung in der Erforschung neuer Werkstoffe: Günstige Eigenschaften klassischer Werkstoffe zu nutzen, ohne deren Nachteile in Kauf nehmen zu müssen. Das hohe Gewicht von Metallen ist ein solcher Nachteil, der durch die Entwicklung neuer Werkstoffe überwunden wird. Dieses Ziel wird dadurch erfüllt, dass Kohlefasern in sogenannter anisotropischer Richtung verstärkt werden, um die Zugfestigkeit zu erhöhen. Gleichzeitig wird auf Eigenschaften verzichtet, die in der späteren Anwendung keine Rolle spielen. Metalle sind nicht nur zug-, sondern auch druckfest, weisen also nicht nur in einer, sondern in allen Richtungen ein hohes Maß an Belastbarkeit auf. Solche Kohlenfaserlagen, auf deren Kräfte verzichtet werden kann, werden bei der Herstellung von Carbon-Halbzeugen „eingespart“, was neben der ohnehin schon geringen spezifischen Dichte des Elements Kohlenstoffs zu einer deutlichen Gewichtsreduktion führt. Allerdings wird diese aus Sicherheitsgründen noch nicht bis an die Grenzen des technisch Möglichen getrieben. Großbauteile aus CFK für den Flugzeug- und Automobilbau werden derzeit noch mit ausreichenden Faserlagen produziert, um auch die isotropische Stabilität zu gewährleisten, wie sie metallische Werkstoffe aufweisen.

Berechenbarkeit einer Anwendung: Grundlage für den wirtschaftlichen Einsatz von Werkstoffen
 

Um mit neuen Werkstoffen weitere wirtschaftliche Vorteile zu erzielen, müssen die Belastungen in der späteren Anwendung so genau wie möglich vorherberechnet werden. Im Maschinenbau hat sich der Einsatz von CFK als Werkstoff für Werkzeuge daher schon in einem sehr hohen Maße bewährt: Die Bewegungsrichtungen von Werkzeugen und die Kräfte, denen ein Werkzeug standhalten muss, sind genau definiert und ändern sich auch nicht. Die beweglichen Komponenten einer Maschine können daher besonders gewichtsreduziert konstruiert und gebaut werden – was dann zu erheblichen Energieeinsparungen beim Antrieb der Maschinen führt. 

Beitrag neuer Werkstoffe zur ökologischen Gesamtbilanz
 

Der Werkstoff Carbon zeigt allerdings auch gewisse Grenzen auf. Generell wird der mechanische und energetische Nutzen von Werkstoffen schon längst nicht mehr nur im Rahmen der Anwendung selbst beurteilt. Auch der energetische Aufwand, der bereits bei der Herstellung eines Kunststoffs notwendig ist, fällt in die ökologische Gesamtbilanz eines Materials. Um CFK-Werkstoffe zu erzeugen, ist derzeit ein noch höherer Energieaufwand vonnöten als bei der schon bekannt energieintensiven Gewinnung von Aluminium. Das schlägt sich auch in den Herstellungskosten dieses Materials nieder. Trotzdem gehört dem CFK weiterhin die Zukunft. Denn mit der Weiterentwicklung von energetisch effizienteren Herstellungsverfahren wird sich die Verwendung dieses Werkstoffs in immer mehr Anwendungsbereichen auch unter ökologischen Gesichtspunkten als Lösung für die Zukunft herauskristallisieren. In der Luftfahrt sorgen die erheblichen Kerosin-Einsparungen dank leichterer Bauweise bereits für eine deutlich positive ökologische Gesamtbilanz – selbst unter Einbeziehung des Energieaufwands für die Herstellung des modernen Werkstoffs. Auch die Automobilindustrie hat bereits die Phase des Experimentierens mit Prototypen hinter sich gelassen und erste Fahrzeuge mit Karosserien komplett aus Carbon in Serie gefertigt. 

Bessere mechanische Qualitäten durch neue Werkstoffe
 

Was neue Werkstoffe wie Carbon gegenüber klassischen Werkstoffen aber vor allem auszeichnet: Sie überzeugen vor allem dadurch, dass sich ihre Eigenschaften sehr spezifisch in eine gewünschte Richtung hin verstärken lassen. Eigenschaften traditioneller Werkstoffe wie Stahl und Aluminium lassen sich also bei geringerem Gewicht nicht nur erreichen, sondern sogar deutlich übertreffen. So kann CFK durch die gleichförmige Ausrichtung von Kohlefasern Zug- oder Druckfestigkeiten erreichen, die denjenigen von Stahl sogar deutlich überlegen sind. Zudem können auch gewünschte Eigenschaften wie Elastizität und auch das Ausdehnungsverhalten unter Temperatureinflüssen so genau optimiert werden, dass ein CFK-Werkstoff punktgenau die spezifischen Eigenschaften erreichen kann, die für eine Anwendung notwendig sind. 

Von der dreidimensionalen zur zweidimensionalen Anwendung: Graphen als Werkstoff des digitalen Zeitalters
 

Vor einigen Jahren hat ein neuer Werkstoff für Furore gesorgt, der seitdem als Hoffnungsträger auch der digitalen Industrie gilt: Graphen könnte schon in einem Jahrzehnt die Vormachtstellung des Siliziums als Rohstoff für die Halbleiterproduktion ablösen. Graphen besteht aus einer Schicht Kohlenstoff, die nur die Stärke eines einzigen Atoms aufweist. Bis zur weltweit aufsehenerregenden Entdeckung von Graphen gingen Physiker noch davon aus, dass eine solche zweidimensionale „atomare Folie“ aus wabenförmig miteinander verbundenen Kohlenstoffatomen nur am absoluten Gefrierpunkt von 0 Grad Kelvin mechanischen Bestand haben könnte. Das Fehlen der Höhe als stabilisierender dritter Dimension stellte sich aber als überraschend problemlos heraus: Die Struktur von Graphen erweist sich auch bei höheren Temperaturen als stabil. Zu diesem mechanischen Vorteil gesellen sich die herausragenden elektrischen Eigenschaften einer solchen Graphen-“Folie“: Durch den Zusatz von weiteren Atomen kann es supraleitende Fähigkeiten, also Geschwindigkeiten von Elektronen ermöglichen, die die Leitfähigkeit des Halbleiters Silizium um das Hundertfache übertreffen könnten. Allerdings steht die Erforschung von Graphen als möglicher Kandidat für die Herstellung von Supraleitern noch am Anfang der Entwicklung. Die erste kommerzielle Verwendung von Graphen wird sich daher zunächst in der Oberflächenveredelung abspielen, um Verbundwerkstoffen zu mehr Widerstandsfähigkeit zu verhelfen. 

Fazit: Nur neue Werkstoffe ermöglichen weiteren technologischen Fortschritt

CFK hat als künstlicher Werkstoff auf Kohlenstoffbasis längst das Stadium der kommerziellen Verwendung erreicht – und somit bereits das Zeitalter der Leichtbauweise eingeläutet. Die Baubranche zählt zu den ersten Kandidaten, die die Vorteile von Konstruktionen auf Carbon-Basis buchstäblich auf die Spitze – und damit auch in ganz neue kommerzielle Dimensionen der industriellen Nutzung – treiben.

Parallel zu dieser Entwicklung hat die Entdeckung von Graphen eine vollkommen neue Perspektive auch für die Erforschung anderer Elemente eröffnet, die sich möglicherweise ebenfalls als einlagige atomare Folien isolieren lassen. In der Beschichtungstechnik zur Stabilisierung und auch Funktionalisierung von Oberflächen haben sich durch Graphen jetzt schon neue faszinierende Ansätze für alle produzierenden Industrien ergeben.