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Materialien aus biologischem Anbau könnten Verbundwerkstoffe umweltfreundlicher machen

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Holz, ein natürlicher Verbundwerkstoff, leistete einen entscheidenden Beitrag zu den Anfängen der Luftfahrt und wird auch heute noch in der leichten Luftfahrt verwendet. Bei der Herstellung von Verkehrsflugzeugen wurde es jedoch aus verschiedenen Gründen durch Metall verdrängt, z. B. wegen der Steifigkeit von Aluminium im Verhältnis zu seinem Gewicht. Aber jetzt, da die Industrie sich auf Nachhaltigkeit konzentriert, könnte Holz der Luftfahrt wieder helfen.

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Verbundwerkstoffe, insbesondere kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe, setzen sich dank ihres geringen Gewichts im Flugzeugbau immer mehr durch. Diese Qualität führt zu einem geringeren Treibstoffverbrauch und ist ein Weg in Richtung Nachhaltigkeit. Treibstoffeinsparungen sind das wichtigste Ergebnis des Einsatzes von Verbundwerkstoffen über den Lebenszyklus eines Flugzeugs, so dass sich der hohe Energieverbrauch der Verbundwerkstoffproduktion im Laufe der Zeit weitgehend amortisiert.

. Die Erforschung eines nachhaltigeren Produktionsprozesses ist im Gange

. Kohlefaser könnte aus Holz statt aus Öl hergestellt werden

Da die Luft- und Raumfahrtindustrie bestrebt ist, ihren ökologischen Fußabdruck zu verkleinern, wären Änderungen am Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoffen, die aus fossilen Rohstoffen gewonnen werden, zu begrüßen. In diesem Zusammenhang könnte Holz eine wichtige Rolle spielen: Dank einer effizienteren Technik könnten Kohlenstofffasern aus Zellulose oder Lignin - den beiden Hauptbestandteilen von Holz - hergestellt werden.

Bei der Verwendung von Verbundwerkstoffen darf der fossile Ursprung der Rohstoffe nicht außer Acht gelassen werden. Wenn die Welt nicht mehr auf Erdöl angewiesen ist, wird es unter der Erde bleiben, und es wird ein anderer Stoff für Verbundwerkstoffe erforderlich sein.

Und das sind nur zwei von mehreren Umweltaspekten, die die Forscher bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen berücksichtigen. Es geht auch um die Toxizität einiger Inhaltsstoffe, wie z. B. das in Epoxidharzen enthaltene Bisphenol A.

Es wird versucht, die aus fossilen Quellen stammende Kohlefaser zu ersetzen. Lufthansa Technik bewirbt AeroFLAX als das erste erneuerbare, ökoeffiziente und für die Luft- und Raumfahrt geeignete vorimprägnierte Gewebe. Die Fasern werden aus Flachs gewonnen, und für das Harz werden landwirtschaftliche Abfälle, z. B. aus der Maisernte, als Rohstoff verwendet. AeroFLAX befindet sich in der Forschungs- und Technologiephase. Es eignet sich für Komponenten im Kabineninneren, aber nicht für stark belastete Teile der Flugzeugzelle.

Das vom Forschungs- und Technologiezentrum IRT Jules Verne in Nantes, Frankreich, geleitete Suspens-Programm untersucht die Umweltauswirkungen der Herstellung leichter Verbundwerkstoffstrukturen. Es begann im Januar und ist auf 3,5 Jahre angelegt. Das Programm wird im Rahmen eines Förderprogramms der Europäischen Kommission mit 4,9 Millionen Euro (5,3 Millionen Dollar) unterstützt.

Neben der Freizeitschifffahrt und der Automobilindustrie dürfte auch die Luft- und Raumfahrt von den Arbeiten profitieren, da das IRT Jules Verne traditionell stark auf die Luftfahrt ausgerichtet ist. Den Vorsitz im Verwaltungsrat des IRT Jules Verne hat der Leiter des Airbus-Werks in Nantes inne.

Der Kern des Problems ist ein energieintensiver Karbonisierungsprozess. Das übliche, aus fossilen Quellen stammende Vorprodukt für Kohlenstofffasern heißt Polyacrylnitril (PAN). Es muss bei Temperaturen von 1.500 bis 2.000 °C verkohlt werden, um sich in eine Kohlenstofffaser zu verwandeln, sagt Mehdi Marin, Leiter des Suspens-Programms am IRT Jules Verne.

Eine Idee des Suspens-Programms besteht darin, Lignin - die Holzmatrix im Gegensatz zu den Zellulosefasern - als Vorprodukt zu verwenden und damit PAN zu ersetzen. Aus einer Ligninlösung würde ein Faden entstehen, der dann bei Temperaturen karbonisiert wird, die einige hundert Grad Celsius niedriger sind als bei PAN, sagt Marin.

Bei Suspens geht es vor allem darum, dass die entstehende Kohlenstofffaser genauso gut funktioniert wie eine herkömmliche Faser, die aus PAN hergestellt wird, betont er.

Paradoxerweise eignet sich Zellulose - eine Holzfaser - nicht so gut als Kohlenstofffaser-Vorprodukt wie Lignin. Als Teil von Suspens wird Zellulose direkt als Verstärkung (im Gegensatz zu einem Vorprodukt) verwendet, sagt Marin. Möglicherweise wird sie für Innenverkleidungen von Kabinen verwendet.

Inzwischen könnten 95 % der Bioharze aus Flachs, Raps, Rizinusöl oder Algen synthetisiert werden, sagt Marin. Suspens konzentriert sich auf duroplastische Verbundwerkstoffe und nicht auf Thermoplaste. Für die Luft- und Raumfahrt wollen die Ingenieure Epoxidharze entwickeln.

Obwohl das Suspens-Programm keine vollständige Studie über die Lieferkette für biologisch erzeugte Stoffe durchführt, wird dieser Aspekt für die Inhaltsstoffe von Harzen berücksichtigt, sagt Marin.

In der Phase der Teileherstellung untersuchen die Suspens-Ingenieure Änderungen an der chemischen Zusammensetzung und dem Verhalten des Harzes, um die Aushärtungszeit zu verkürzen. Derzeit dauert die Aushärtung mehrere Stunden bei Temperaturen von 100-180 °C, sagt Marin.

Im Rahmen des Programms wird ein kleines, 60 cm langes Winglet entworfen und gebaut. Die Idee ist, die Fortschritte von Suspens an einem hohlen Bauteil mit komplexer Form und hohem Steifigkeitsbedarf zu testen. Es könnte auch als Folien-Demonstrator für die Freizeitbootindustrie verwendet werden.

Ein Kriterium, das ein für die Luft- und Raumfahrt geeigneter Verbundwerkstoff erfüllen muss, steht unter besonderer Beobachtung: eine Glasübergangstemperatur, die hoch genug ist, um eine Verschlechterung der mechanischen Leistung zu vermeiden. Die Zertifizierungsanforderungen verlangen, dass die Flugzeugzelle einer Temperatur von 80 °C standhält (wie z. B. auf einem extrem heißen Flughafen), und es muss eine typische Marge von 30 °C bis zum Glasübergang gewährleistet sein, so Marin.