Neue Luftfahrtstoffe erfüllen sowohl eine strukturelle als auch eine elektrische Aufgabe
Die Transportindustrie, insbesondere die Luftfahrt, sucht ständig nach neuen Hochleistungsmaterialien. Einst sollten die Materialien leicht und stark sein, aber in letzter Zeit spielt Nachhaltigkeit ebenfalls eine große Rolle. Jetzt wird erwartet, dass starke Strukturmaterialien als Teil der Elektro- und Stromversorgungssysteme von Fahrzeugen fungieren. Daher möchte die Transportindustrie Materialien mit allen genannten Eigenschaften inklusive elektrischer Leitfähigkeit einsetzen. Das ideale Material wäre Garn aus Kohlenstoffnanoröhren(öffnet in neuem Fenster). Das sind Röhren mit einer Breite von 2-10 nm, die aus aufgerollten Kohlenstoffplatten hergestellt werden. Ein solches Garn wäre stark, zäh und elektrisch leitend. Es würde gleichzeitig strukturelle und elektrische Aufgaben erfüllen und in beiden Punkten besser sein als vorhandene Materialien. Die Verwendung von Garn aus Kohlenstoffnanoröhren für diese Doppelrolle würde zweierlei Materialien vermeiden und das Gewicht verringern. Trotz der jüngsten Fortschritte bei der Garnsynthese aus Kohlenstoffnanoröhren war die Herstellung von makroskaligen Stoffen mit den erforderlichen mechanischen Eigenschaften schwierig. Solche Eigenschaften hängen von der Ausrichtung einzelner Röhren ab, und das ist schwer zu kontrollieren.
Neue Verfahren lösen das Ausrichtungsproblem
Das mithilfe der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen unterstützte EU-finanzierte Projekt ENERYARN(öffnet in neuem Fenster) widmete sich der Erarbeitung einer Lösung. Das Team entwickelte Garndehnungsstrategien und neue Verfahren zur Untersuchung energiespeichernder Verbundwerkstoffe. Die neuen Verfahren befassten sich mit dem Ausrichtungsproblem. Mit diesen Verfahren zeigten die Forschenden, dass Stoffe aus mehreren Garnen aus Kohlenstoffnanoröhren die Kombination von Eigenschaften erzielen können, welche für den Einsatz in der Luftfahrt als duale strukturelle und elektrische Komponenten geeignet sind. Die im Projekt ENERYARN verwendeten Garne aus Kohlenstoffnanoröhren unterscheiden sich von herkömmlichen Kohlenstofffasern. „Sie bestehen aus Tausenden sehr langen Kohlenstoffnanoröhren, die in einem Gasphasenreaktor innerhalb von Sekunden kontinuierlich wachsen“, erklärt die Projektforscherin Dr. Anastasiia Mikhalchan. „Wir haben die Synthesebedingungen optimiert, sodass wir einige Kilometer Garn aus Kohlenstoffnanoröhren pro Stunde sammeln und gleichzeitig die Art der Nanoröhren – einwandig oder mehrwandig –, aus denen die Garne bestehen, steuern konnten.“
Überlegene Stoffe bieten Multifunktionalität
Der Hauptvorteil des neuen Syntheseverfahrens ist die Möglichkeit der direkten Herstellung von freistehenden Stoffen, indem Aerogelfilamente während des Spinnens zusammengeführt werden. Das ergibt einen flexibles Stoff mit einer geeigneten Größe für die Handhabung, der auch als Elektroden in neuartige Batterien und Superkondensatoren integriert werden kann. Die Garne haben eine etwa hundertmal höhere elektrische und thermische Leitfähigkeit als herkömmliche Kohlenstofffasern. Ein zweiter Vorteil ist, dass die Stoffe aus Methan, dem Hauptbestandteil von Erdgas, hergestellt werden können. So verbinden die Materialien multifunktionale Eigenschaften mit Nachhaltigkeit. Entscheidend ist die Verwendung von Garnen aus Kohlenstoffnanoröhren als Leiter anstelle von starren Metallplatten. Das macht die Elektroden flexibel, zäh und langlebiger. „Wir haben erfolgreich aufgezeigt, dass die Integration von Stoffen aus Kohlenstoffnanoröhren zu starken, zähen und leichten Elektroden für neuartige Batterien und Superkondensatoren führte“, fügt Mikhalchan hinzu. „Das ist ein Bereich, der weltweit ein enormes Interesse von Forschenden und der Industrie auf sich zieht. Darüber hinaus übertrafen unsere Stoffe die der Wettbewerber.“ Die Forschenden befassten sich auch mit der praktischen Hochskalierung von Laborgarnen aus Kohlenstoffnanoröhren zu halbindustriellen Stoffen. Das Projekt verbesserte die Zugfestigkeit von Stoffen aus Kohlenstoffnanoröhren um das Vierfache. Das hat vor kurzem kommerzielle Gegenstücke hervorgebracht. Der nächste Schritt wird die Zusammenarbeit mit Industriepartnern in der gesamten Lieferkette sein, um die Ergebnisse von ENERYARN zu nutzen. Seit dem Ende des Projekts arbeiten Forschende mit großen Automobilherstellern zusammen, die daran interessiert sind, Garne aus Kohlenstoffnanoröhren in Elektrofahrzeuge einzuführen.
