Kategorie: Werkstoffe und Materialien

Spannende Beiträge, informative Fachartikel und die neusten Entwicklungen aus dem Themengebiet Werkstoffe und Materialien.

Kohlenstoff-Fallen verstehen: Untersuchung eines vielverspre­chenden Materials zeigt im Detail, wie es CO2 einfängt

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Künstlerische Darstellung des CO2-Einfangs aus einem mit Feuchtigkeit beladenen Gasstrom mittels CALF-20, einem metallorganischen Gerüst auf Zinkbasis.© B. Schröder/HZDR

Künstlerische Darstellung des CO2-Einfangs aus einem mit Feuchtigkeit beladenen Gasstrom mittels CALF-20, einem metallorganischen Gerüst auf Zinkbasis.
© B. Schröder/HZDR

Da die Industrie nach innovativen Lösungen für die Abscheidung und Lagerung von Kohlendioxid (CO2) sucht, werden neue Materialien benötigt, die das Treibhausgas aus Industrieemissionen effizient abfangen und speichern können. Eine aktuelle Studie eines Forschungsteams des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR), der TU Dresden (TUD) und der Maria-Curie-Skłodowska-Universität in Lublin (Polen) beleuchtet die Gasadsorptionsphysik des sogenannten Calgary Framework 20 (CALF-20), eines metallorganischen Gerüsts (MOF) auf Zinkbasis. Mittels Kombination moderner Techniken haben die Forschenden die einzigartige Anpassungsfähigkeit des Materials unter verschiedenen Bedingungen entschlüsselt. Die Arbeit zeigt, wie CALF-20 effizient CO2 einfängt und gleichzeitig Störeffekten durch Wasser widersteht – ein häufiges Problem bei Materialien zur CO2-Abscheidung. Weiterlesen

KI als Gamechanger für Kunststoffverpackungen

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© Fraunhofer IVVExperten des Fraunhofer IVV bei der Optimierung eines Verfahrens zur Produktion von Verpackungen. Im Rahmen des Projekts KIOptiPack entwickeln sie auch KI-Werkzeuge um Kunststoffverpackungen fit für die Kreislaufwirtschaft zu machen.

© Fraunhofer IVV
Experten des Fraunhofer IVV bei der Optimierung eines Verfahrens zur Produktion von Verpackungen. Im Rahmen des Projekts KIOptiPack entwickeln sie auch KI-Werkzeuge um Kunststoffverpackungen fit für die Kreislaufwirtschaft zu machen.

Im Innovationslabor KIOptiPack entwickeln Forschende des Fraunhofer-Instituts für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV gemeinsam mit 51 Partnern aus Wirtschaft und Wissenschaft innovative KI-gestützte Optimierungswerkzeuge sowie einen Datenraum, der alle Akteure der Verpackungsbranche und deren Daten miteinander verknüpft. Ziel ist es, mithilfe der KI-Werkzeuge Kunststoffverpackungen zukünftig im Kreislauf zu führen.

Kunststoffe sind leicht, langlebig und einfach zu verarbeiten – wahre Alleskönner unter den Materialien. Daher wundert es nicht, dass in Deutschland mehr als 60 Prozent der verpackten Waren in Kunststoff gehüllt sind. Ziel der Kunststoffindustrie ist es, durch das ideale Verpackungsdesign (Design for Recycling) die Kreislaufwirtschaft zu fördern, die Umwelt so wenig wie möglich zu belasten und gleichzeitig die verpackten Waren optimal zu schützen. Verpackungen sollen idealerweise einen möglichst hohen Rezyklatanteil aufweisen. Auch eine neue EU-Verordnung fordert, dass bis 2030 Verpackungen aus Kunststoff zu einem Mindestanteil von bis zu 35 Prozent aus Rezyklaten hergestellt werden. Weiterlesen

Nanomaterialien: Die Kraft der Lücke

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Die Sonne schickt täglich enorme Energiemengen auf die Erde, doch wirtschaftlich genutzt wird davon bisher nur ein Bruchteil. Eine vielversprechende Methode, um die Solarkraft in speicherbare Energie umzuwandeln, ist die Spaltung von Wasser (H2O) in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2). „Diese chemische Reaktion birgt ein enormes Zukunftspotenzial: H2 als klimafreundlichen Energieträger, Wasser als gut verfügbare Ressource und keine ungünstigen Nebenreaktionen, um nur drei zu nennen. Zugleich gilt die photoelektrochemische Wasserspaltung in der Energie- und Katalyseforschungs-Community als eine der ultimativen Herausforderungen“, erklärt Emiliano Cortés, Professor für Experimentalphysik an der LMU. Die größte Krux: Bislang sind die eingesetzten Materialien nicht leistungsfähig genug, um die Technologie im großen Maßstab wettbewerbsfähig zu machen. Ein internationales interdisziplinäres Team, das von Prof. Min Liu von der Central South University (CSU) in Changsha, China, und Cortés, einem der führenden Forschungsgruppenleitern des Exzellenzclusters e-conversion, koordiniert wird, hat jetzt wichtige Erkenntnisse gewonnen, wie sich ein entscheidender Schritt – die Ladungstrennung – verbessern lässt. Weiterlesen

Innovatives Recyclingverfahren für Carbonfasern

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© Fraunhofer EMIExperimenteller Aufbau zur Umsetzung der lokalen Hochleistungs-laserinduzierten Pyrolyse eines gewickelten Composite-Ringes und des gleichzeitigen Abziehens des matrixbefreiten Carbonfaser-Streifens. Im Prozess findet die Pyrolyse an der Stelle des Laserspots statt.

© Fraunhofer EMI
Experimenteller Aufbau zur Umsetzung der lokalen Hochleistungs-laserinduzierten Pyrolyse eines gewickelten Composite-Ringes und des gleichzeitigen Abziehens des matrixbefreiten Carbonfaser-Streifens. Im Prozess findet die Pyrolyse an der Stelle des Laserspots statt.

Forschende des Fraunhofer-Instituts für Kurzzeitdynamik, Ernst-Mach-Institut, EMI haben eine Technologie entwickelt, die es ermöglicht, endlose Carbonfasern aus Verbundwerkstoffen zurückzugewinnen – ohne Einbußen bei der Materialqualität. Mittels Hochleistungslaser wird die Matrix der mehrlagigen faserverstärkten Kunststoffe gezielt zersetzt. Das Verfahren bietet nicht nur ökologische Vorteile, sondern auch erhebliches wirtschaftliches Potenzial.

Carbonfaser-Verbundwerkstoffe, sogenannte Composites, sind besonders fest und leicht, was sie zu bevorzugten Materialien in vielen Industrien macht. Doch die Herausforderung der Entsorgung und Wiederverwertung dieser leistungsfähigen Materialien ist hoch. Das Forschungsteam am Fraunhofer EMI hat nun einen Prozess entwickelt, in dem Fasern gebrauchter Composites effizient zur Wiederverwendung aufbereitet werden – ohne ihre mechanischen Eigenschaften zu beeinträchtigen. In bisherigen Recyclingverfahren werden die Faser-Kunststoff-Verbunde geschreddert, was zu verkürzten Fasern und somit zum Downcycling führt. Weiterlesen

Metamaterialien: Stark verdrehte Stäbe speichern große Mengen Energie

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Das Modell zeigt die spiralförmige Verformung des Metamaterials. Dank dieses Mechanismus lässt sich eine große Menge Energie speichern, ohne dass es zu Brüchen kommt. (Abbildungen: IAM, KIT / Collage: Anja Sefrin, KIT)

Das Modell zeigt die spiralförmige Verformung des Metamaterials. Dank dieses Mechanismus lässt sich eine große Menge Energie speichern, ohne dass es zu Brüchen kommt. (Abbildungen: IAM, KIT / Collage: Anja Sefrin, KIT)

Mechanische Metamaterialien mit hoher elastischer Energiedichte hat ein am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) koordiniertes internationales Team von Forschenden entwickelt. Dank stark verdrehter Stäbe, die sich spiralförmig verformen, weisen sie eine hohe Steifigkeit auf und können große Mengen elastischer Energie aufnehmen und wieder abgeben.

Ob Federn zur Energieaufnahme, Puffer für die Energiespeicherung, aber auch flexible Strukturen in der Robotik oder in energieeffizienten Maschinen: Viele Technologien erfordern eine mechanische Energiespeicherung. Dabei wird kinetische Energie, also Bewegungsenergie, oder entsprechende mechanische Arbeit so in elastische Energie umgewandelt, dass sie bei Bedarf wieder vollständig freigesetzt werden kann. Zentrale Kenngröße dafür ist die Enthalpie – die Energiedichte, die sich in einem Materialelement speichern und zurückgewinnen lässt. Peter Gumbsch, Professor für Werkstoffmechanik am Institut für Angewandte Materialien (IAM) des KIT, erklärt die Herausforderung, eine möglichst hohe Enthalpie zu erreichen: „Die Schwierigkeit besteht darin, widersprüchliche Eigenschaften zu kombinieren: hohe Steifigkeit und große rückstellbare Verformung bei limitierter Festigkeit.“ Weiterlesen

Nylon-Fresser – mikroskopische Helfer beim Recycling von Kunststoffabfällen

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Eine gentechnisch veränderte Pseudomonas putida, die Nylon abbauen und in wertvolle Stoffe umwandeln kann. Das Bakterium wurde entwickelt, um das Recycling von Nylon zu verbessern und als Grundlage für biotechnologische Prozesse zu dienen. | Copyrights: Susanne Husted Nielsen

Eine gentechnisch veränderte Pseudomonas putida, die Nylon abbauen und in wertvolle Stoffe umwandeln kann. Das Bakterium wurde entwickelt, um das Recycling von Nylon zu verbessern und als Grundlage für biotechnologische Prozesse zu dienen. | Copyrights: Susanne Husted Nielsen

Ein Team von Wissenschaftler:innen des Instituts für Bio- und Geowissenschaften – Biotechnologie am Forschungszentrum Jülich hat zusammen mit der Firma Novonesis ein Bakterium entwickelt, das die Einzelbausteine verschiedener Nylonvarianten „frisst“ und in wertvolle Stoffe umwandeln kann. Die Ergebnisse dieser Forschung leisten einen wichtigen Beitrag zur Verbesserung von Nylonrecycling.

Synthetische Polyamide, besser bekannt als Nylon, werden aufgrund ihrer Langlebigkeit und hohen Zugfestigkeit in diversen Industriezweigen und Produkten eingesetzt – vom wohl bekanntesten Beispiel Strumpfhosen über Unterwäsche und Sportkleidung bis hin zu Fallschirmen, Netzen, Angelschnüren und Komponenten in der Automobilindustrie. Trotz der breiten Einsatzmöglichkeiten und Nutzung liegt die Recyclingquote von Polyamiden bislang unter fünf Prozent. Viele Nylonabfälle landen entweder auf Deponien, weil geeignete Recyclingprozesse fehlen, gelangen als Netze oder Seile aus der Fischerei in die Umwelt oder werden verbrannt, was giftige Substanzen freisetzen kann. Weiterlesen

Durchbruch bei leitfähigen Kunststoffen: Neuer Polymerkristall leitet Strom wie ein Metall

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Ein internationales Forschungsteam hat unter Mitwirkung von Wissenschaftler:innen der Technischen Universität Dresden (TUD) ein bahnbrechendes zweidimensionales leitendes Polymer entwickelt. Eine spezielle, geordnete Form von Polyanilin (2DPANI) weist eine außergewöhnliche elektrische Leitfähigkeit und ein metallisches Ladungstransportverhalten auf. Die Entdeckung ist ein grundlegender Durchbruch in der Polymerforschung, denn sie eröffnet neue Möglichkeiten für die Entwicklung leistungsfähigerer organischer Elektronik.

Schematische Darstellung des Verfahrens zur Synthese von 2DPANI auf der Wasseroberfläche.© Peng Zhang

Schematische Darstellung des Verfahrens zur Synthese von 2DPANI auf der Wasseroberfläche. © Peng Zhang

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Keramische Faserverbundwerkstoffe erstmals reparierbar

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Bauteil aus carbonfaserverstärktem Siliziumkarbid zur Befestigung optischer Instrumente, die für Raumfahrtanwendungen genutzt werden. ECM - Engineered Ceramic Materials GmbH

Bauteil aus carbonfaserverstärktem Siliziumkarbid zur Befestigung optischer Instrumente, die für Raumfahrtanwendungen genutzt werden. ECM – Engineered Ceramic Materials GmbH

Forschende am Institut für Materials Resource Management der Universität Augsburg haben eine Methode entwickelt, um Bauteile aus keramischen Faserverbundwerkstoffen zu reparieren. Nach einer zerstörungsfreien 3D-Analyse werden Schädigungsbereiche gezielt abgetragen und anschließend über neuartige Reparaturprozesse mit geeignetem Material verfüllt. Bislang war eine Reparatur solcher Faserverbundwerkstoffe nicht möglich. Das Projekt “R4CMC – Repair Concepts for Reduced Reject Rates of virgin and overhauled CMC” wurde vom Bayerischen Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie gefördert.  

Keramische Faserverbundwerkstoffe (Ceramic Matrix Composites – CMC) zeichnen sich durch ihre Hochtemperatur- und Korrosionsbeständigkeit, ihr schadenstolerantes Verhalten und ihre geringe Dichte aus. Sie eignen sich damit für Anwendungen in extremen Umgebungen und werden vor allem in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt, z. B. in Satellitenstrukturen. Weitere Anwendungsbereiche finden sich in der Automobilindustrie, z.B. in Brems- oder Kupplungsscheiben, oder im Maschinenbau, z.B. in Schutzhülsen für Pumpenanwendungen.

Am Institut für Materials Resource Management haben Forschende nun erstmals eine Methode entwickelt, wie sich lokale Schäden in CMC-Bauteilen reparieren lassen. Weiterlesen

Nachhaltige Verpackungen aus Moorpflanzen

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© Fraunhofer IVVIm Vergleich zu Holz zeichnet sich Rohrglanzgras durch seinen niedrigeren Ligningehalt aus.

© Fraunhofer IVV
Im Vergleich zu Holz zeichnet sich Rohrglanzgras durch seinen niedrigeren Ligningehalt aus.

Als Baustoffe, Viehfutter und Nahrungsmittel werden Paludikulturen wie Torfmoos, Schilf und Rohrglanzgras bereits eingesetzt. Aufgrund ihres geringeren Ligningehalts könnten die Moorpflanzen jedoch auch eine attraktive Alternative zu Holz als Rohstoffquelle für nachhaltige Papierverpackungen sein. Dass die Moorpflanzen großes Potenzial für die Herstellung von Faltschachteln, Schalen und Co. aufweisen, haben Forschende des Fraunhofer-Instituts für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV in Machbarkeitstests nachgewiesen. Weiterlesen

Quantentechnologie und KI: Schlüssel für sichere Second-Life-Anwendungen von Lithium-Ionen-Batterien

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© Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg/Prof. Roland NagySpin-basierter Quanten-Magnetfeldsensor in einem Messvorgang. Der Sensor wird optisch angeregt, um die Magnetfeldmessung zu starten. Die Information vom gemessenen Signal wird durch die Emission kodiert, weitergeleitet und in Form von Magnetfeldmappings visualisiert.

© Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg/Prof. Roland Nagy
Spin-basierter Quanten-Magnetfeldsensor in einem Messvorgang. Der Sensor wird optisch angeregt, um die Magnetfeldmessung zu starten. Die Information vom gemessenen Signal wird durch die Emission kodiert, weitergeleitet und in Form von Magnetfeldmappings visualisiert.

Um die Nachhaltigkeit der Elektromobilität zu fördern und Ressourcen effizienter zu nutzen, gewinnt das Upcycling von Lithium-Ionen-Batterien zunehmend an Bedeutung. Es werden Konzepte gesucht, um die Materialkreisläufe zu verlangsamen. Erreicht wird dies, indem gebrauchte Batterien aus Elektrofahrzeugen in neuen Anwendungsgebieten zum Einsatz kommen, anstatt sie sofort in Recyclingprozesse zu überführen. Trotz des erheblichen Potenzials zur Ressourcenschonung hat sich das Upcycling aus technischen und wirtschaftlichen Gründen bislang nicht durchgesetzt. Ein Forscherteam kann nun mithilfe einer Hochgeschwindigkeitsmessmethode und KI eine anwendungsreife Lösung ermöglichen. Weiterlesen