Die unauffälligen, leichten, ermüdungsfreien und witterungsbeständigen Verbundwerkstoffe lassen sich nach Belieben formen: Flugzeugflügel, Windturbinenblätter, Fahrradrahmen, medizinische Prothesen oder auch Bauelemente. Ihre einzigartigen Eigenschaften haben seit Anfang des 20. Jahrhunderts die Neuronen der Wissenschaftler angeregt. Die Aussicht auf erhebliche Gewichts- und damit Treibstoffeinsparungen während des Aufschwungs der Luft- und Raumfahrt in den 1960er Jahren hat die Forschung angekurbelt und die Frage nach der Ökologie und dem Recycling dieser Materialien, die heute in grossem Umfang das Ende ihrer Lebensdauer erreichen, in den Hintergrund gedrängt. Das Umweltbewusstsein der Gesellschaft in den letzten Jahrzehnten hat die neuen Generationen von Verbundwerkstoffen allmählich auf eine Kreislaufwirtschaft ausgerichtet. Die Entwicklung von Pflanzenfasern, biobasierten Harzen, weniger energieintensiven Herstellungsverfahren und reparierbaren Materialien bestimmt heute die wissenschaftliche und technologische Entwicklung. An der EPFL und ihren Spin-offs zeichnen sich zahlreiche Wege ab.
Materialien, die gleichzeitig widerstandsfähig und umformbar sind
Verbundwerkstoffe erhalten ihre aussergewöhnlichen Eigenschaften durch die Mischung von Materialien: ein Polymer als Matrix in Kombination mit Fasernetzen - meist aus Glas oder Kohlenstoff -, die die Spannungsverteilung und die Eigenschaften besser als jedes einheitliche Material optimieren können. Während einige Anwendungen, die extremen Bedingungen ausgesetzt sind, wie die Struktur eines Flugzeugs oder einer Rakete, die Verwendung der widerstandsfähigsten Verbindungen rechtfertigen, erfüllen andere ihre Funktionen perfekt mit Materialien und Verfahren, die die Teile etwas weniger widerstandsfähig, dafür aber umweltfreundlicher machen. Die Verwendung von Naturfasern wie Flachs oder Hanf ist bei Teilen von Schiffen, Autos und sogar Flugzeugkabinen bereits relativ üblich. "Die Forschung in den Labors umfasst nun den gesamten Lebenszyklus des Verbundwerkstoffteils. Bestimmte Materialkombinationen, die Kohlenstofffasern enthalten, sind zwar bei der Herstellung weniger umweltverträglich, ermöglichen aber im Bereich der Mobilität grosse Treibstoffeinsparungen während der gesamten Lebensdauer des Flugzeugs. Pflanzenfasern sind sehr interessant, da sie aus erneuerbaren Quellen stammen, aber man muss die Pestizide, den Dünger oder auch das Wasser, das für den Anbau benötigt wird, berücksichtigen. Ein vielversprechender Ansatz für eine noch bessere Bilanz sind beispielsweise Bananenfasern, die ein Abfallprodukt der Landwirtschaft darstellen, da die Pflanzen ohnehin alle drei Jahre von den Landwirten ausgerissen werden", betont Véronique Michaud, Professorin am Laboratoire de mise en oeuvre des composites à haute performance (LPAC) an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften und -techniken der EPFL.
Die Forschung in den Labors schliesst nun den gesamten Lebenszyklus eines Verbundwerkstoffteils ein.
Veronique Michaud, Professorin am Laboratoire de mise en oeuvre des composites à haute performance (LPAC) an der EPFL.
Harze, die überwiegend auf der Basis von Erdölnebenprodukten hergestellt werden, werden oft wegen ihrer Umweltauswirkungen angeprangert. Biobasierte Alternativen werden von Chemikern nach und nach erforscht und oft zu einem bestimmten Prozentsatz in Polymeren enthalten. Die kleine Revolution, mit der sich viele Labore derzeit beschäftigen, ist jedoch eine neue Art von Harz, das sogenannte Vitrimer. Seit Jahrzehnten versuchen Wissenschaftler, ein Material zu finden, das die Eigenschaften der beiden üblichen Polymerarten miteinander verbindet: die eine ist sehr widerstandsfähig, aber schwer zu recyceln, die andere lässt sich leichter verarbeiten und aufwerten, ist aber oft weniger leistungsfähig. vitrimere eröffnen fantastische Möglichkeiten", bestätigt die Professorin. Im Rahmen des von Innosuisse finanzierten Projekts ZeroPol, das darauf abzielt, den CO2-Fussabdruck von Kunststoffprodukten während ihres gesamten Lebenszyklus zu minimieren, testen wir beispielsweise verschiedene von einem grossen Basler Unternehmen entwickelte Zusammensetzungen, um sie auf Verbundwerkstoffe anzuwenden, Teile herzustellen und die Eigenschaften zu bewerten." Ein europäisches Projekt, an dem LPAC ebenfalls beteiligt ist, zielt auf die Entwicklung einer relativ weichen Vitrimetharzformulierung ab, die durch leichtes Erhitzen neu geformt werden kann und beispielsweise für Kopfhörer bestimmt ist.
Ein Material, das selbst brennt, um die Herstellung zu dekarbonisieren
Die CO2-Bilanz von Hochleistungsverbundwerkstoffen leidet auch unter den energieintensiven Produktionsverfahren. Um eine maximale Qualität zu gewährleisten, läuft das übliche Verfahren für Hochleistungsverbundwerkstoffe häufig über das Auskochen in einem Autoklaven, einer Art riesigem Schnellkochtopf. "Fast 95% der Energie wird dazu verwendet, das Gerät selbst auf die richtige Temperatur zu bringen", stellt Véronique Michaud fest. Um diesem Energieverbrauch entgegenzuwirken, entwickelten die Wissenschaftler des LPAC ein Harz, das selbst kocht. "Die Idee ist, eine Ecke des Verbundwerkstoffs mit UV-Licht zu beleuchten und dann zuzulassen, dass sich die Wärme dank der Anordnung der Molekularstruktur des Materials von selbst ausbreitet". Das Verfahren funktioniert bei Proben, erfordert aber noch einige Jahre Forschung, um es zu beherrschen und in grossem Massstab reproduzieren zu können. Die aus diesem Labor hervorgegangenen Methoden zur Vermeidung von Autoklaven haben sich bereits weitgehend bewährt, da ein ähnliches Verfahren, das Anfang der 2000er Jahre für den Schiffsrumpf der Alinghi entwickelt wurde, von der Firma Beyond Gravity (ehemals Ruag Space) in der Nähe von Luzern für die Herstellung von Ariane-Raketenkappen verwendet wird.
Von der Selbstreparatur zur intelligenten Faser
Verbundwerkstoffe sind sehr widerstandsfähig, aber nicht immun gegen Stösse, die ihre Struktur verändern. Daher gibt es sowohl in der akademischen Forschung als auch in der Industrie ein wachsendes Interesse an selbstheilenden Verbundwerkstoffen, um ihre Lebensdauer weiter zu verlängern. Wenn eine Delle oder ein Riss in der Oberfläche entsteht, werden in der chemischen Zusammensetzung enthaltene Selbstheilungsmittel freigesetzt. Das Spin-off CompPair entwickelt beispielsweise Harze, die eine Reparatur des Objekts ermöglichen, indem die beschädigte Stelle auf etwa 100 Grad erhitzt wird. Die Schwachstelle von Geräten aus Verbundwerkstoffen liegt jedoch manchmal eher in der Aneinanderreihung von Teilen als in Beschädigungen des Materials selbst. Dies gilt insbesondere für die Rotorblätter von Windkraftanlagen, bei denen das LPAC mit der Gruppe für Verbundwerkstoffmechanik der EPFL zusammenarbeitet, um einen Klebstoff mit polymeren Mikropartikeln zu entwickeln, die ihm eine ideale pastenartige Konsistenz verleihen und eine Reparatur durch Erhitzen ermöglichen, wenn ein Riss auftritt. Schliesslich würde das Einschieben von intelligenten Fasern in das Innere von Strukturen es ermöglichen, Informationen aus dem Inneren des Teils zu erhalten, um zu entscheiden, ob eine Reparatur oder Entsorgung notwendig ist. Das Labor für photonische Fasern und Materialien, das von Fabien Sorin, einem Spezialisten für intelligente Fasern, geleitet wird, arbeitet mit dem LPAC an mehreren Projekten zusammen, die darauf abzielen, solche Sensoren in Verbundwerkstoffteile zu integrieren.
Was geschieht mit Verbundwerkstoffen am Ende ihrer Lebensdauer?
Die enge Verzahnung von Materialien, die die Stärke von Verbundwerkstoffen während ihrer Nutzung ausmacht, wird beim Recycling zu einer Schwachstelle. Die meisten Verbundwerkstoffe der ersten Generation, die heute das Ende ihrer Lebensdauer erreicht haben, werden verbrannt oder deponiert, da die verwendeten Materialien nicht mehr zeitgemäss sind. Es gibt jedoch erste Projekte im Bauwesen und in der Architektur, bei denen Strukturen aus Verbundwerkstoffen wiederverwendet werden. "Dies ist immer noch ein Nischenmarkt, der jedoch viel weiter verbreitet sein könnte, als es derzeit der Fall ist", sagt Anastasios Vassilopoulos, Professor in der Gruppe für Verbundwerkstoffmechanik. "Wir haben zusammen mit Clemens Waldhart, einem Architekten und Dozenten am Labor für Elementararchitektur und Typenstudien, mehrere Projekte durchgeführt, um die Rotorblätter von Windkraftanlagen als Gebäudestrukturen wiederzuverwenden (Foto1) oder die Umgehungsautobahn Lausanne Süd zu überdachen und dort Solarpaneele anzubringen (Foto2) . Beide Projekte befinden sich in der Entwicklungsphase und auf der Suche nach ausreichender Unterstützung durch die verschiedenen Interessengruppen."Schliesslich gibt es Methoden, bei denen die Fasern und das Harz getrennt zurückgewonnen werden können, um sie für neue Verbundstoffe zu recyceln, wie die Pyrolyse - ein Erhitzen auf sehr hohe Temperaturen - oder die Verwendung von Lösungsmitteln. Mehrere Unternehmen, darunter Composite Recycling oder Verretex von der EPFL, versuchen, diese Verfahren umweltfreundlich und wirtschaftlich rentabel zu machen. Ersteres setzt auf eine ambulante Vorrichtung, mit der Schiffsteile direkt in der Nähe des Hafens verarbeitet werden können. Ziel ist es, ausreichend lange Stücke aus recycelten Fasern zu erhalten, die wiederverwendet werden können, ohne dass sie geschmolzen werden müssen. Verretex entwickelt eine Technologie, die es ermöglicht, Zusammenstellungen aus kurzen, nicht gewebten und lose angeordneten Fasern zu erhalten, die qualitativ mit den Originalen identisch sind.
