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Kohlenstoff-Dünnschichten zum Schutz vor Mikrowellen

Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe besitzen viele nützliche Eigenschaften und ein enormes Potenzial, das laufend neue Einsatzzwecke offenbart. Forscher haben nun eine Dünnschicht-Variante entwickelt, um die elektromagnetischen Eigenschaften von Kohlenstoff zur Abschirmung von Mikrowellen-Strahlung zu nutzen.
Kohlenstoff-Dünnschichten zum Schutz vor Mikrowellen
Die ungewöhnlichen Eigenschaften von Kohlenstoffen mit großer Oberfläche stellen für Forscher eine ausgezeichnete Gelegenheit dar, Verbundwerkstoffe mit nützlichen elektrischen und elektromagnetischen Eigenschaften herzustellen. Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe sind als leichtes und ultradünnes Material zur elektromagnetischen Abschirmung besonders geeignet.

Zugleich haben ultraleichte Kohlenstoffschäume aufgrund ihrer Zellstruktur bekanntlich eine ausgesprochen hohe elektromagnetische Abschirmwirkung. Darüber hinaus sind sie günstig, sehr gut wärmeisolierend und trotz ihres geringen Gewichts extrem stark.

Wissenschaftler untersuchen nun die Materialeigenschaften von ultradünnen kohlenstoffhaltigen Schichten sowie ihr elektromagnetisches Potenzial. „Nach unseren Erwartungen sollten sie bis zu 50 % der abgegebenen Mikrowellenenergie absorbieren können, und das, obwohl ihre Dicke nur einem geringen Bruchteil der Eindringtiefe entspricht“, so Dr. Alain Celzard, der führende Forscher des Teams, das diese Untersuchungen durchführt.

Im Rahmen der von der Europäischen Union (EU) finanzierten Initiative NAmiceMC wollten die Wissenschaftler eine kostengünstige, leichtgewichtige und umweltfreundliche Methode zur elektromagnetischen Abschirmung entwickeln. Eine einzigartige Struktur in Mottenaugen diente dem Team als Inspiration für die Entwicklung eines Materials, das in der Lage ist, Mikrowellen zu absorbieren.

NAMiceMC verglich die Effektivitätsunterschiede hinsichtlich der elektromagnetischen Abschirmung von Kohlenstoffschäumen, ultradünnen Kohlenstoffschichten und Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen. Die Forscher testeten diese unterschiedlichen Werkstoffe bei verschiedenen Mikrowellenfrequenzen und verglichen sie mit einem theoretischen Modell der werkstoffeigenen elektromagnetischen Eigenschaften.

Das Team führte eine Vergleichsstudie zur Effektivität der elektromagnetischen Abschirmung verschiedener Werkstoffe und Anordnungen durch. „Wir konnten in diesem Projekt zeigen, dass alle von uns untersuchten Formen von Kohlenstoffstrukturen eine effektive Lösung für das Problem der elektromagnetischen Kompatibilität bieten könnten“, so Dr. Celzard.

Nützliche Verbindungen

Wenn geringes Gewicht gefragt ist, empfehlen sich den Erkenntnissen des Teams zufolge vor allem dünne Kohlenstoffschichten und Kohlenstoffschäume oder -aerogele. Wenn gute mechanische Eigenschaften für eine hohe Abschirmwirkung gegen elektromagnetische Störstrahlung ausschlaggebend sind, erwiesen sich laut den Forschern Polymerverbunde mit Kohlenstoff-Füllung als optimale Wahl.

Die Forscher entwickelten eine Datenbank mit einer beachtlichen Informationsfülle zu den elektromagnetischen Eigenschaften und der elektromagnetischen Abschirmwirkung der einzelnen Werkstoffe, die im Rahmen des Projekts untersucht wurden. Sie schlugen eine effektive Anordnung der Partikel vor, durch die die wichtigsten Merkmale expandierter graphitbasierter Verbundwerkstoffe beschrieben werden. Das Team konnte eine nützliche und klare Methodik zur Modellierung der Anordnungen entwickeln, die keine kommerzielle Software erfordert.

„Die entwickelte Methodik ermöglichte uns ein deutlich besseres Verständnis der physikalischen Vorgänge in Nanokohlenstoff-basierten Verbundwerkstoffen“, merkt Dr. Celzard an. Das Team fand heraus, dass sich zur Abschirmung am besten solche Werkstoffe eignen, die die höchstmögliche Leitfähigkeit im Niederfrequenzbereich und eine geringe Dicke aufweisen.

Die Forscher von NAmiceMC hatten ursprünglich mit einer hohen Absorption gerechnet, die sich auf die Zell- und Fenstergröße von netzartigen Kohlenstoffschäumen bei der Werkstoffanordnung auswirken würde. Stattdessen stellte das Team beim Kohlenstoffgerüst eine so hohe Leitfähigkeit fest, dass diese Strukturen im Niederfrequenz- und Mikrowellenbereich größtenteils reflektierend waren. Zu ihrer Überraschung fanden die Forscher heraus, dass netzartige Kohlenstoffschäume im Terahertz-Bereich eine stark absorbierende Wirkung zeigten, die deutlich über der erwarteten Fenstergröße lag.

Schritte in die Zukunft

Das NAmiceMC-Team setzt seine Forschungsarbeit im Bereich der elektromagnetischen Anwendungen von verschiedenen porösen Kohlenstoffstrukturen aktiv fort. Die Forscher streben die Konstruktion neuer Metaoberflächen an. Als Grundlage dazu soll ein im Rahmen des Projekts entwickeltes Verfahren dienen, durch das beliebig geformte 3D-Strukturen in kohlenstoffhaltige magnetische Werkstoffe umgewandelt werden können.

NAmiceMC beabsichtigt, das Konzept eines elektromagnetischen schwarzen Lochs experimentell nachzuweisen und einen Prototypen eines hochsensiblen elektromagnetischen Detektors anzufertigen. Dazu haben die Forscher für dieses Jahr bereits einen entsprechenden Antrag auf RISE-Förderung im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen gestellt.

Fachgebiete

Life Sciences

Schlüsselwörter

NAmiceMC, elektromagnetische Abschirmung, Kohlenstoffschäume, elektromagnetische Eigenschaften, Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe, elektromagnetische Kompatibilität, Abschirmung gegen Mikrowellenstrahlung
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