Mit Materialien auf Graphenbasis Strukturen für die Luftfahrt optimieren
Die Senkung des Treibstoffverbrauchs und der CO2-Emissionen von Flugzeugen ist von entscheidender Bedeutung für die Steigerung der Effizienz, die Einhaltung des Europäischen Klimagesetzes(öffnet in neuem Fenster) und die Klimaneutralität bis 2050. Bei der herkömmlichen Flugzeugproduktion werden funktionale Komponenten separat entworfen und dann in die Struktur integriert. Idealer wäre jedoch ein fortschrittlicher integrativer Fertigungsansatz, mit einer geringeren Anzahl von Teilen, die komplexer sind und mehrere Funktionen besitzen. Diese Strategie würde zu einer verbesserten aerodynamischen Effizienz sowie zu einer Verringerung des Flugzeuggewichts führen. Das Projekt GRAPHICING(öffnet in neuem Fenster), das vom Zentrum für Elektrochemie und Elektrochemische Oberflächentechnologie – CEST GmbH(öffnet in neuem Fenster) in Österreich koordiniert wird, hat bedeutende Fortschritte bei der Reduzierung des Flugzeuggewichts erzielt. Ihre Innovation: fortschrittliche funktionelle Leichtbaumaterialien auf der Grundlage von Graphen-verwandten Materialien.
Kostengünstige Graphenproduktion ist die Zukunft
Graphit, ein häufig vorkommendes Mineral, ist ein stabiles Allotrop des Kohlenstoffs, das häufig in der Luftfahrtindustrie eingesetzt wird. Graphen – eine einzelne Kohlenstoffschicht aus Graphit – ist eines der stärksten jemals getesteten Materialien. Weitere Vorteile bietet es durch seine hohe Leitfähigkeit, geringe Dichte und große Oberfläche. Dahingegen stellen jedoch die hohen Produktionskosten bei der Verwendung von Materialien auf Graphenbasis eine Herausforderung dar. Im Rahmen des Projekts GRAPHICING wurde ein innovatives, kosteneffizientes elektrochemisches Verfahren entwickelt, mit dem große Mengen an Graphenoxid-Flocken für rund 500 EUR/kg im Labormaßstab effizient hergestellt werden können. Diese Flocken werden dann für verschiedene Funktionen wie Enteisung und Brandverzögerung angepasst und in eine Polymerverbundmatrix integriert.
Umweltfreundliche Herstellung von Materialien auf Graphenbasis
Im Rahmen des Programms intelligenter, umweltfreundlicher und integrierter Verkehr stand die umweltfreundliche Herstellung für das Forschungsteam von GRAPHICING an erster Stelle. Zum einen werden bei der elektrochemischen Herstellung von Graphenoxid zwei ungiftige Chemikalien in Kombination mit Elektrizität verwendet. Jürgen Schodl, Projektkoordinator und leitender Forscher am CEST, stellt fest: „Darüber hinaus können die Graphen-basierten Materialien über rein mechanische Prozesse in die Polymermatrix eingebracht und die Verbundwerkstoffe über entsprechende Laminierungsprozesse hergestellt werden – ohne jegliche umweltschädliche Lösungsmittel.“ Bei der Implementierung von Graphen-verwandten Materialien in die Polymermatrix mittels grüner Chemie ergaben sich einige Schwierigkeiten. Mit mechanischen und lösungsmittelbasierten Methoden konnte beispielsweise keine ausreichende Leitfähigkeit für die angestrebten Funktionalitäten erreicht werden. Die Forschenden von GRAPHICING überwanden dieses Problem jedoch, indem sie zur Sprühbeschichtung übergingen.
Multifunktionale Verbundstruktur für die Luftfahrt
Schodl betont: „Die wichtigsten Ergebnisse dieses Projekts sind erstens, dass die vier angestrebten Funktionalitäten Enteisung, Schutz vor Blitzschlag, Wasserabsorptionsbarriere und Feuerhemmung mit den Graphen-basierten Materialien erreicht werden können. Außerdem werden sie mit einem kostengünstigen und umweltfreundlichen elektrochemischen Herstellungsverfahren und anschließender chemischer Veränderung gewonnen.“ Diese Ergebnisse wurden durch die Verbesserung modernster Technologien erzielt, die neben den graphithaltigen Polymeren auch Nicht-Polymere umfassen. Beides kann zu einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften führen, die beispielsweise zur Verhinderung von Vereisung während des Fluges erforderlich sind. GRAPHICING konnte die derzeitigen Beschränkungen überwinden, indem es Materialien auf Graphenbasis in eine funktionale Verbundstruktur einbezog. Die daraus resultierende integrierte Polymermatrix ist leichter und effizienter als andere moderne Materialien. Die Projektforschungsgruppe demonstrierte die vier angestrebten Funktionen anhand kleinmaßstäblicher Prototypen. Zu den nächsten Schritten in der Graphen-basierten Zukunft gehören Prototypen in größerem Maßstab und ihre Implementierung in die Verbundwerkstoff-Produktionstechnologien. Außerdem arbeiten die Forschenden daran, die auf Graphen basierenden Materialien und das Herstellungsverfahren zu optimieren. Aufgrund ihres geringen Gewichts und ihrer umweltfreundlichen Herstellung sind Strukturen auf Graphenbasis für einen nachhaltigen Luftverkehr von entscheidender Bedeutung.
Schlüsselbegriffe
GRAPHICING, Graphen, Graphen-verwandte Materialien, Enteisung, Luftfahrtstrukturen, elektrochemische Herstellung
