Ingenieure der North Carolina State University und der Universität Houston haben in den Proceedings der Nationalen Akademie der Wissenschaften ein neues komposites Material mit selbstheilenden Eigenschaften vorgestellt, das die Lebensdauer von Raumfahrzeugen, Flugzeugen, Autos und Windturbinen erheblich verlängern könnte.
Das als Faserverstärktes Polymer (FRP) bezeichnete Material ist nahezu immun gegen Delaminierung, ein häufiges Problem bei Verbundwerkstoffen. Forscher behaupten, dass das Material Trennungen über tausendmal reparieren kann, ohne dass eine Demontage erforderlich ist. Der Reparaturprozess könnte automatisiert werden, indem Sensoren installiert werden, die Schäden erkennen und den Selbstheilungsprozess aktivieren.
Im Erfolgsfall könnte diese Innovation die Luft- und Raumfahrt sowie die erneuerbare Energiewirtschaft revolutionieren, indem sie die Lebensdauer wesentlicher Komponenten wesentlich verlängert. Dazu zählen Windturbinenblätter, Karosserieteile und strukturelle Komponenten von Fahrzeugen und Flugzeugen. Mit einem solchen kompositen Material könnten Kosten gesenkt und gleichzeitig die Sicherheit erhöht sowie umweltfreundlichere Lösungen erreicht werden, was angesichts der anstehenden 43 Millionen Tonnen Abfall, die allein durch Windturbinenblätter bis 2050 erzeugt werden, besonders relevant ist.
Eine thermoelektrische Herangehensweise an die Selbstheilung
Polymerkomposite umfassen Materialien wie Kohlenstoff- und Glasfaser, die in der Luft- und Raumfahrt sowie in der erneuerbaren Energie weit verbreitet sind. FRP-Komposite sind stark und leicht, neigen jedoch zu Delaminierung, was ihre Lebensdauer auf 15 bis 40 Jahre beschränkt. Das selbstheilende Material überwältigt dieses Problem, indem es eine 3D-gedruckte Poly(ethylenglykol-co-methacrylsäure) (EMAA)-Zwischenschicht integriert, die die Resistenz gegen Delaminierung um das Zwei- bis Vierfache erhöht.
Die integrierten EMAA-Schichten sind mit einem dünnen, elektrisch resistiven Heizelement kombiniert, das das thermoplastische Material bei Bedarf schmelzen kann. Dieser Prozess ermöglicht, dass das geschmolzene EMAA in Risse und Mikrorisse eindringt, die durch Delaminierung entstanden sind, und die beschädigten Schichten dauerhaft miteinander verbindet, ohne die Integrität der Polymermatrix zu schädigen.
Werden die beeindruckenden Laborergebnisse in der realen Welt Bestand haben?
Die Verlängerung der Lebensdauer von FRP-Produkten kann auch dazu beitragen, die Abfallmenge zu reduzieren, beispielsweise durch die Verbesserung der Lebensdauer von Windturbinen. Diese Fortschritte waren bei früheren Versuchen mit selbstheilenden Faserverbundwerkstoffen, die durch ihre begrenzte Anzahl an Selbstheilungszyklen eingeschränkt waren, nicht möglich. Die Wissenschaftler rechnen damit, dass diese Technologie etwa 125 Jahre Nutzungsdauer mit dreimonatlichen Heilungszyklen oder bis zu 500 Jahre mit jährlichen Heilungszyklen ermöglicht.
Obwohl diese Ansprüche vielversprechend sind, basieren sie auf Testbedingungen im Labor und sollen nicht unbedingt praktische Anwendungen widerspiegeln. Die realen Bedingungen könnten die Wissenschaftler vor Herausforderungen stellen, sofern das Heilungsverfahren von der Anwesenheit von Hydroxidionen auf Glasfaserverbundstoffen abhängt, um eine starke Bindung zu gewährleisten. Kohlenstofffasern sind jedoch chemisch inaktiv und besitzen diese Hydroxidionen nicht, was den Heilungsprozess bei diesen Materialien beeinträchtigen könnte.
Das Forschungsteam hat das selbstheilende Kompositverfahren bereits patentiert und über die Firma Structeryx Inc. lizenziert, die auf strukturelle Verbundmaterialien spezialisiert ist. Es ist nicht ungewöhnlich, dass vielversprechende Technologien wie das selbstheilende Asphalt von Google in der Praxis kaum Anwendung finden. Dennoch scheinen die Aussichten für diese selbstheilende Verbundtechnologie relativ vielversprechend.
